地面最长寿命气泡问世！23分36秒！又一吉尼斯世界纪录在西工大诞生

2024-10-16 11:39世界记录

近日，西北工业大学物理科学与技术学院臧渡洋教授团队收到了一件特别的快递，是他们此前获得的一份吉尼斯世界纪录证书。

日前，臧渡洋教授团队成功创下吉尼斯世界纪录，制备出“地面上最长寿命气泡”，在声悬浮条件下气泡保持时间可达到23分36秒，且在被直径为0.8毫米的热铜针穿透时，悬浮气泡仍能保持不破裂。

小气泡的大用途

气泡在人们生产生活中是熟悉且不可或缺的重要角色，由于气泡独特的界面物理化学性质及其动力学行为，特别是气泡膜为许多特定的物理化学过程提供了独特的传热传质边界条件和二维柔性约束，其在材料工程、流体物理、生命科学和环境科学等领域都有着广泛的应用前景。

然而，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。自然界中常见的气泡往往只能存在数秒且触之即破，这种生命周期短和稳定性差的特性极大制约了其在生产生活中的广泛应用及其重要作用的发挥。因此，为气泡增寿成为许多流体物理和软物质等相关领域学者和工程师的一个饶有兴致的挑战。

怎么延长气泡的寿命？

普通气泡受到重力的影响，液膜上下的薄厚程度逐渐不均衡，使得气泡在自然条件下只能短时间存留。解决此问题，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不可避免地会导致气泡的“污染”，这在特定生产条件下并不适用。

为了探究不引入化学稳定剂而获得长寿命气泡的方法，研究学者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。空间站实验虽然可获得长寿命气泡，但成本极其昂贵，而且不便于结合其他研究手段进行复杂实验设计。因此，能否在地面常重力条件下寻找一种不引入化学稳定剂的气泡稳定方法成为亟待解决的问题。

臧渡洋教授课题组一直围绕软物质和复杂流体开展研究，特别关注软物质界面的物理、力学以及化学耦合问题，他早在法国留学期间便针对气泡物理的基础问题开展研究。来到西工大，导师魏炳波院士所建立和发展的声悬浮技术又为臧渡洋教授的气泡研究提供了创新指引。

“超声既然能使液滴悬浮而不坠落，那能否使气泡液膜中的液体不往下流动（排液）呢？”在这一问题的驱动下，臧渡洋开始带领本科生开展超声“吹泡泡”的兴趣实验。在一次实验中，课题组同学偶然发现，声悬浮条件下液滴可以转变为气泡，且声悬浮气泡存活时间显著优于常规气泡，甚至使用针头去穿刺仍能够保持完整。

这一突出特性使课题组欣喜异常，并引起了大家极大的科研兴趣。“声场中的气泡为什么如此“坚固”而长寿？”臧渡洋教授开始组织研究团队对这一问题展开深入探索归纳，并最终揭示了声悬浮气泡的超稳定性是由于气泡内外表面的声辐射力显著抑制了重力排液导致的。

该研究成果以“Extraordinary stability of surfactant-free bubbles suspended in ultrasound”为题发表在国际知名学术期刊Droplet上（期刊封面故事），并被Nature期刊亮点报道。

该成果首创了通过超声悬浮稳定气泡的新方法，并进一步揭示了造成这种超稳定性的物理机制，实现了在常规重力条件下使气泡保持长时间稳定，达到了媲美空间站中微重力环境抑制排液的效果，提供了适用于气泡及气泡膜研究的空间环境的地面模拟途径。

论文中团队提出，在声悬浮条件下，利用声腔共振机制形成的声悬浮气泡，稳定性得到了显著提升，可以在超声环境下存在超过15min。即使没有任何表面活性剂的稳定作用，纯水气泡也可以稳定7min以上，这比常规气泡的寿命提高了两个数量级以上。此外，通过实验证明，在声场的稳定作用下气泡甚至能够在针刺等外部扰动下保持稳定。这种超稳定性是由于驻波声场在悬浮气泡的内外表面都提供了独特的声辐射压力分布，这样的声辐射压分布一方面平衡了液体重力，实现了稳定悬浮。另一方面对气泡膜提供了挤压作用，抵消了静水压力，从而抑制了其中的重力排液。声辐射压的分布还可通过改变声场强度来调节，从而得到不同形态的声悬浮气泡。

以此成果为指引，臧渡洋教授课题组制备出了“地面上最长寿命气泡”并创下吉尼斯世界纪录：在声悬浮条件下，气泡保持时间达到23分36秒。

这种无固体表面接触、无化学“污染”、超稳定的声悬浮气泡在科学研究和工业生产中具有极大的应用前景。例如，超稳定气泡有助于测量液体的表面张力及其流变学性质；可以作为收集和分析气溶胶颗粒的液基材料；可以作为理想的生物/化学反应器，用于晶体生长、细胞培养的液体模板/独特的微环境等。

未来，臧渡洋教授课题组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其动力学、热力学性质等，持续推动相关领域“1→0”反向科研攻关，为声悬浮气泡在材料工程、流体物理、生命科学等领域实际应用提供理论支持。

华商报大风新闻记者任婷