伴隨著孩童的追逐，五彩繽紛的氣泡在空中飄蕩，隨風而舞，給好奇的孩子們帶來了無限快樂；同時，氣泡的形成與破裂現象背后，也蘊藏著十分豐富的基礎科學問題，吸引著來自物理、化學、力學等不同領域學者的廣泛關注。這是因為，氣泡在人們生產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、礦物浮選等諸多領域也都少不了氣泡的作用。

在魏炳波院士和Dominique Langevin教授的長期指導下，臧渡洋教授課題組利用超聲場提供了一種制備氣泡的全新方法，課題組發(fā)現了聲場誘發(fā)的液滴到氣泡的轉變現象，并揭示了這一轉變的聲腔共振機制。該研究成果以“Inducing drop to bubble transformation via resonance in ultrasound”為題于9月11日（倫敦時間）在國際頂級期刊Nature Communications (《自然·通訊》)在線發(fā)表。西北工業(yè)大學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和英國赫爾大學。

以往產生氣泡的方法，多是借助紊流混合、流動聚焦技術或者微流體所產生的強烈切變，從而提供產生氣泡界面所需的能量。這些技術固然可以高效地產生氣泡，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性質。

在聲懸浮條件下，通過調節(jié)聲場強度，懸浮液滴的形狀經歷從橢球狀到扁平液餅再到彎曲液膜的變化。有趣的是，當液膜的彎曲程度達到某一臨界值時，液膜會突然擴張并封閉形成氣泡（圖1）。這一現象既無法用聲懸浮液滴的平衡形狀理論解釋，也無法從現有的液滴失穩(wěn)現象中得到借鑒。

臧渡洋教授課題組通過系統的實驗研究和深入的數值模擬，發(fā)現了出現液滴-氣泡轉變的關鍵因素之一是液膜彎曲形成一個碗狀的空腔。當空腔達到臨界體積時，誘發(fā)其體積急劇增大。實驗發(fā)現，該臨界體積與液體種類和液滴的初始尺寸無關，而顯著依賴于聲場的頻率。這是因為，氣泡彎曲形成的空腔，實際上構成了一個亥姆霍茲諧振腔。當其體積合適時，會與超聲場發(fā)生共振，大量吸收振源的能量，而導致腔體的劇烈膨脹并迅速閉合形成氣泡。

由于氣泡本質上具有高比表面積，所以當液膜被戳破時，常見的現象是膜孔不斷長大，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。在這項工作中，臧渡洋教授課題組實現了一個“反過程”：液膜的面積不斷增大，發(fā)生彎曲并迅速擴展成碗狀，最終包裹空氣形成一個氣泡。

該研究最重要的發(fā)現是用聲懸浮彎曲液膜包圍的空腔可看作一種與液體性質無關的聲學諧振器。一旦彎曲的液膜腔體達到合適的體積，無論是增加聲場強度還是通過外部拖拽，都會產生超聲共振從而突然膨脹形成氣泡。在此理論的基礎上，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。聲波能量可以在毫秒尺度內被有效地吸收并使液膜面積增大。此時，聲場不僅提供懸浮力，也提供產生新表面的能量。

該成果為液滴動力學操縱領域的研究提供了嶄新的思路和方法，對殼核型軟材料制備、藥物封裝等領域也有一定的借鑒意義。該項工作得到了國家自然科學基金（U1732129）、陜西省基礎研究計劃（2016JM1003）和中央高校科研業(yè)務費（3102016ZY026）的支持，在學術交流與合作方面得到了學校國際合作處的長期支持。Newsweek、New Scientist、Science News等多家知名媒體對研究工作進行了報道。

據悉，臧渡洋教授課題組已在液滴物理與力學領域取得一系列創(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)和大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面也取得了一定的成績，多名研究生獲得國家獎學金，多項國家級大學生創(chuàng)新實驗項目獲得優(yōu)秀結題。臧渡洋教授曾擔任Soft Matter、Adv. Cond. Matter Phys.等期刊的客座編輯，現擔任軟物質領域代表性期刊之一Eur. Phys. J. E副主編。

（文章來源:西北工業(yè)大學新聞網 科學網科學網轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）