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近日，西北工業大學物理科學與技術學院臧渡洋教授團隊成功制備出“地面上最長壽命氣泡”，在聲懸浮條件下氣泡保持時間可達到23分36秒，且在被直徑0.8毫米的熱銅針穿透時懸浮氣泡仍能保持不破裂。該研究成果發表在《自然》期刊“亮點研究”欄目，并創下吉尼斯世界紀錄。

探究“長壽”泡泡

“由于重力導致的排液以及氣泡本身的大比表面積，氣泡天生不穩定?！标岸裳蟊硎荆匀唤缰谐Ｒ姷臍馀葜荒艽嬖跀得肭矣|之即破，生命周期短和穩定性差的特性極大制約了其在生產生活中的廣泛應用及其重要作用的發揮。因此，為氣泡“增壽”成為許多流體物理和軟物質等相關領域學者和工程師的一個饒有興致的挑戰。

據悉，由于氣泡獨特的界面物理化學性質及其動力學行為，特別是氣泡膜為許多特定的物理化學過程提供了獨特的傳熱傳質邊界條件和二維柔性約束，其在材料工程、流體物理、生命科學和環境科學等領域都有著廣泛的應用前景。

但是，普通氣泡受到重力的影響，液膜上下的薄厚程度逐漸不均衡，使得氣泡在自然條件下只能短時間存留。為解決此問題，科研人員通常使用表面活性劑或微/納米顆粒等作為穩定劑來抑制重力引起的排液，從而延長氣泡壽命，但化學穩定劑的加入不可避免地會導致氣泡的“污染”，這在特定生產條件下并不適用。

為了探究不引入化學穩定劑而獲得長壽命氣泡的方法，研究學者曾在國際空間站直接利用微重力條件抑制排液，實現了純水氣泡的穩定和較長壽命。但能否在地面常重力條件下尋找不引入化學穩定劑的氣泡穩定方法，成為科學家亟待解決的問題。

超聲“吹出”穩定泡泡

臧渡洋教授團隊一直圍繞軟物質和復雜流體開展研究，其導師中國科學院院士、西北工業大學教授魏炳波所建立和發展的聲懸浮技術為氣泡研究提供了新的指引。

“超聲既然能使液滴懸浮而不墜落，那能否使氣泡液膜中的液體不往下流動（排液）呢？”臧渡洋教授團隊在開展超聲“吹泡泡”的興趣實驗時，課題組同學偶然發現，聲懸浮條件下液滴可以轉變為氣泡，且聲懸浮氣泡存活時間顯著優于常規氣泡，甚至使用針頭去穿刺仍能夠保持完整。

“聲場中的氣泡為什么如此‘堅固’而長壽？”臧渡洋教授團隊最終揭示了聲懸浮氣泡的超穩定性是由于氣泡內外表面的聲輻射力顯著抑制了重力排液導致的。這一成果達到了媲美國際空間站中微重力環境抑制排液的效果，提供了適用于氣泡及氣泡膜研究的空間環境的地面模擬途徑。

此外，實驗證明，在聲場的穩定作用下，氣泡甚至能夠在針刺等外部擾動下保持穩定。

“這種超穩定性是由于駐波聲場在懸浮氣泡的內外表面都提供了獨特的聲輻射壓力分布，這樣的聲輻射壓分布平衡了液體重力，實現了穩定懸浮。聲輻射壓分布還對氣泡膜提供了擠壓作用，抵消了靜水壓力，從而抑制了其中的重力排液?！标岸裳蟊硎荆曒椛鋲旱姆植歼€可通過改變聲場強度來調節，從而得到不同形態的聲懸浮氣泡。

據了解，這種無固體表面接觸、無化學“污染”、超穩定的聲懸浮氣泡具有極大的應用前景。未來，臧渡洋教授團隊將繼續圍繞聲懸浮氣泡開展相關研究，探索氣泡的表面特性及其動力學、熱力學性質等，為聲懸浮氣泡在材料工程、流體物理、生命科學等領域的實際應用提供理論支持。