利用聲懸浮可控制備氣泡的新技術(shù)

伴隨著孩童的追逐，五彩繽紛的氣泡在空中飄蕩，隨風(fēng)而舞，給好奇的孩子們帶來了無限快樂；同時(shí)，氣泡的形成與破裂現(xiàn)象背后，也蘊(yùn)藏著十分豐富的基礎(chǔ)科學(xué)問題，吸引著來自物理、化學(xué)、力學(xué)等不同領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。這是因?yàn)?，氣泡在人們生產(chǎn)生活中扮演者不可或缺的重要角色，比如在食品加工的發(fā)酵和膨化就是氣泡形成的過程，在制藥、化妝品、礦物浮選等諸多領(lǐng)域也都少不了氣泡的作用。

在魏炳波院士和Dominique Langevin教授的長(zhǎng)期指導(dǎo)下，臧渡洋教授課題組利用超聲場(chǎng)提供了一種制備氣泡的全新方法，課題組發(fā)現(xiàn)了聲場(chǎng)誘發(fā)的液滴到氣泡的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并揭示了這一轉(zhuǎn)變的聲腔共振機(jī)制。該研究成果以“Inducing drop to bubble transformation via resonance in ultrasound”為題于9月11日（倫敦時(shí)間）在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications (《自然·通訊》)在線發(fā)表。西北工業(yè)大學(xué)為論文的第一作者和唯一通訊作者單位，合作單位有澳大利亞莫納什大大學(xué)和英國(guó)赫爾大學(xué)。

以往產(chǎn)生氣泡的方法，多是借助紊流混合、流動(dòng)聚焦技術(shù)或者微流體所產(chǎn)生的強(qiáng)烈切變，從而提供產(chǎn)生氣泡界面所需的能量。這些技術(shù)固然可以高效地產(chǎn)生氣泡，但是很難用于研究氣泡本身的物理問題，特別是氣泡膜的物理及力學(xué)性質(zhì)。

在聲懸浮條件下，通過調(diào)節(jié)聲場(chǎng)強(qiáng)度，懸浮液滴的形狀經(jīng)歷從橢球狀到扁平液餅再到彎曲液膜的變化。有趣的是，當(dāng)液膜的彎曲程度達(dá)到某一臨界值時(shí)，液膜會(huì)突然擴(kuò)張并封閉形成氣泡（圖1）。這一現(xiàn)象既無法用聲懸浮液滴的平衡形狀理論解釋，也無法從現(xiàn)有的液滴失穩(wěn)現(xiàn)象中得到借鑒。

臧渡洋教授課題組通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和深入的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了出現(xiàn)液滴-氣泡轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素之一是液膜彎曲形成一個(gè)碗狀的空腔。當(dāng)空腔達(dá)到臨界體積時(shí)，誘發(fā)其體積急劇增大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該臨界體積與液體種類和液滴的初始尺寸無關(guān)，而顯著依賴于聲場(chǎng)的頻率。這是因?yàn)?，氣泡彎曲形成的空腔，?shí)際上構(gòu)成了一個(gè)亥姆霍茲諧振腔。當(dāng)其體積合適時(shí)，會(huì)與超聲場(chǎng)發(fā)生共振，大量吸收振源的能量，而導(dǎo)致腔體的劇烈膨脹并迅速閉合形成氣泡。

由于氣泡本質(zhì)上具有高比表面積，所以當(dāng)液膜被戳破時(shí)，常見的現(xiàn)象是膜孔不斷長(zhǎng)大，液膜收縮以減小其表面積。最終，要么破碎成許多小液滴，要么形成子氣泡。在這項(xiàng)工作中，臧渡洋教授課題組實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“反過程”：液膜的面積不斷增大，發(fā)生彎曲并迅速擴(kuò)展成碗狀，最終包裹空氣形成一個(gè)氣泡。

該研究最重要的發(fā)現(xiàn)是用聲懸浮彎曲液膜包圍的空腔可看作一種與液體性質(zhì)無關(guān)的聲學(xué)諧振器。一旦彎曲的液膜腔體達(dá)到合適的體積，無論是增加聲場(chǎng)強(qiáng)度還是通過外部拖拽，都會(huì)產(chǎn)生超聲共振從而突然膨脹形成氣泡。

在此理論的基礎(chǔ)上，臧渡洋教授課題組發(fā)展出了利用聲懸浮可控制備氣泡的新技術(shù)。聲波能量可以在毫秒尺度內(nèi)被有效地吸收并使液膜面積增大。此時(shí)，聲場(chǎng)不僅提供懸浮力，也提供產(chǎn)生新表面的能量。

該成果為液滴動(dòng)力學(xué)操縱領(lǐng)域的研究提供了嶄新的思路和方法，對(duì)殼核型軟材料制備、藥物封裝等領(lǐng)域也有一定的借鑒意義。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（U1732129）、陜西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2016JM1003）和中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（3102016ZY026）的支持，在學(xué)術(shù)交流與合作方面得到了學(xué)校國(guó)際合作處的長(zhǎng)期支持。Newsweek、New Scientist、Science News等多家知名媒體對(duì)研究工作進(jìn)行了報(bào)道。

據(jù)悉，臧渡洋教授課題組已在液滴物理與力學(xué)領(lǐng)域取得一系列創(chuàng)新性成果，課題組已在Soft Matter、Langmuir、APL、PRE等著名期刊發(fā)表了研究論文60余篇；課題組在研究生培養(yǎng)和大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面也取得了一定的成績(jī)，多名研究生獲得國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，多項(xiàng)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獲得優(yōu)秀結(jié)題。臧渡洋教授曾擔(dān)任Soft Matter、Adv. Cond. Matter Phys.等期刊的客座編輯，現(xiàn)擔(dān)任軟物質(zhì)領(lǐng)域代表性期刊之一Eur. Phys. J. E副主編。