超声“吹”出地球上最“长寿”气泡

液膜被铜针穿透时仍能保持不破裂。 受访者供图

近日，西北工业大学物理科学与技术学院教授臧渡洋团队成功制备出地球上最“长寿”气泡，在声悬浮条件下气泡保持时间可达23分36秒，且在被直径0.8毫米的热铜针穿透时，悬浮气泡仍能保持不破裂。相关研究论文发表于国际期刊《液滴》，且被《自然》杂志“亮点研究”栏目报道。该成果还创下吉尼斯世界纪录。

气泡“增寿”面临难题

气泡因其独特的界面物理化学性质及动力学行为，特别是气泡膜可为许多特定的物理化学过程提供独特的传热传质边界条件和二维柔性约束，在材料工程、流体物理、生命科学和环境科学等领域有广阔应用前景。

不过，由于重力导致的排液以及气泡本身的大比表面积，气泡天生不稳定。臧渡洋介绍，自然界中常见的气泡只能存在数秒，而且触之即破，生命周期短、稳定性差的特性极大制约了其在生产生活中的应用。为气泡“增寿”，成为流体物理和软物质等领域学者和工程师面临的挑战。

科研人员通常使用表面活性剂或微/纳米颗粒等作为稳定剂来抑制重力引起的排液，从而延长气泡寿命。但化学稳定剂的加入会不可避免地导致气泡被“污染”，因此在特定生产条件下，这一方法并不适用。

为了探究不引入化学稳定剂而获得“长寿”气泡的方法，研究人员曾在国际空间站直接利用微重力条件抑制排液，实现了纯水气泡的稳定和较长寿命。那么，能否在地面常重力条件下寻找不引入化学稳定剂的气泡稳定方法？这成为亟待解决的问题。

偶然发现稳定泡泡

臧渡洋团队长期围绕软物质和复杂流体开展研究，其导师中国科学院院士、西北工业大学教授魏炳波所建立和发展的声悬浮技术为气泡研究提供了新的指引。

声悬浮就是利用发射端与反射端间的驻波声场，使液滴等物体在空中悬浮起来，而不会坠落。这是因为波节点处的声辐射力可以平衡物体的重力，使物体保持悬浮状态。

在开展超声“吹泡泡”的兴趣实验时，臧渡洋团队成员提出了一个设想：“既然超声能使液滴悬浮而不坠落，那么它是否同样能阻止气泡液膜内的液体向下流动呢？”实验过程中，他们偶然发现，在声悬浮条件下，液滴能转变为气泡，并且这些声悬浮气泡的存活时间明显长于常规气泡。更令人惊奇的是，即便使用针头进行穿刺，这些气泡仍能保持完整性。

声场中的气泡为何如此“坚固”且“长寿”？臧渡洋团队发现，声悬浮气泡膜内的重力排液被显著抑制了，从而赋予声悬浮气泡超稳定性。

“这种超稳定性是由于声场在悬浮气泡内外表面所形成的独特声辐射压分布。这样的声辐射压分布平衡了液体重力，实现了气泡的稳定悬浮，还对气泡膜施加了挤压作用。这一作用抵消了静水压力，从而抑制了气泡膜中的重力排液现象。”臧渡洋说，通过调节声场强度，还可以调整声辐射压分布，从而得到形态各异的声悬浮气泡。

据了解，这种无固体表面接触、无化学“污染”、超稳定的声悬浮气泡有望广泛应用于诸多领域。未来，臧渡洋团队将继续围绕声悬浮气泡开展相关研究，探索气泡的表面特性及动力学、热力学性质，为声悬浮气泡在材料工程、流体物理、生命科学等领域的实际应用提供理论支持。

（记者 王禹涵）