穿上“微納”鎧甲后，水滴成為“液體彈珠。西北工業(yè)大學(xué)供圖

水是地球上最常見的物質(zhì)之一。多年來，西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院臧渡洋教授團(tuán)隊(duì)一直孜孜不倦地研究水滴。他們給水滴穿上“鎧甲”，使之變成穩(wěn)定的“液體彈珠”，并最終成為理想的微型生物/化學(xué)反應(yīng)器，在細(xì)胞培養(yǎng)中起到重要作用。

給水滴穿上“鎧甲”，一切都變了

一滴雨水，從天而降，落到地上，在重力作用下，變成了不規(guī)則的“一攤”，這幾乎是我們每個(gè)人的常識(shí)。但有時(shí)候，如果地面有細(xì)細(xì)的灰塵，雨滴掉在上面，在灰塵里打個(gè)滾，穿著“灰塵”外衣的雨滴便能穩(wěn)定地保持“水滴”的形狀。

從這個(gè)原理出發(fā)，臧渡洋教授團(tuán)隊(duì)用一層微納米顆粒均勻地包裹在水滴表面，為水滴“穿上鎧甲”。這時(shí)的水滴，落到桌面后不會(huì)馬上攤開并沾在上面，而是成為一顆“液體彈珠”，不但可以保持形態(tài)在桌面滾動(dòng)，甚至還可以蹦來蹦去。

正因?yàn)橛羞@層不潤濕的微納“鎧甲”，讓水滴有了“常形”，才使操控、轉(zhuǎn)移水滴成為可能。而這種穩(wěn)定的“液體彈珠”，更可作為理想的微型生物/化學(xué)反應(yīng)器。

與普通的培養(yǎng)皿比較，這種“立體”的反應(yīng)器具有巨大的優(yōu)勢(shì)。比如細(xì)胞培養(yǎng)——傳統(tǒng)的培養(yǎng)皿中，細(xì)胞常常進(jìn)行二維生長，且有接觸到器皿壁被污染的風(fēng)險(xiǎn);而在水滴“立體”反應(yīng)器中，細(xì)胞可以進(jìn)行三維生長，且不會(huì)接觸“器皿壁”。

臧教授課題組曾與澳大利亞莫納什大學(xué)合作，將老鼠的胚胎干細(xì)胞放在液體彈珠中培養(yǎng)，成功培育出了三維心肌細(xì)胞。

“超聲的手”，操控水滴于無形

在魏炳波院士和法國巴黎薩克雷大學(xué)多米尼克·朗之萬教授長期指導(dǎo)下，臧教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開展了用聲場控制水滴的研究。

在聲場中，水滴穩(wěn)定地懸浮，仿佛被一只“無形”的手托舉。“超聲懸浮”為“操控”水滴提供了可能——臧教授帶領(lǐng)同學(xué)們開始了探索和嘗試。

他們發(fā)現(xiàn)，利用聲場強(qiáng)度的變化，可以控制“液體彈珠”表面“鎧甲”的打開和閉合。“在聲場中，液體彈珠的‘赤道’位置受到的是拉力，在‘南北極’位置受到的是壓力。當(dāng)聲場足夠大的時(shí)候，在拉力和壓力共同作用下，液體彈珠‘南北極’的‘鎧甲’便會(huì)打開一對(duì)窗口，液體便會(huì)從‘鎧甲’中顯露出來。”臧老師介紹。

“不但能開門，還能關(guān)門——這種操作是完全可逆的。通過調(diào)節(jié)聲場強(qiáng)弱，可以自由實(shí)現(xiàn)水滴表面微納層的打開與閉合。”這種“開合”有什么應(yīng)用意義呢?當(dāng)“液體彈珠”作為微型生物化學(xué)反應(yīng)器時(shí)，可以通過“開閉門”，更加便利地從液滴中抽取、植入成分，使控制液滴內(nèi)部反應(yīng)成為可能。

他們還發(fā)現(xiàn)，可以通過對(duì)聲場的操作，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)液滴的凝并——即在聲場中的兩個(gè)或多個(gè)液滴，只需調(diào)節(jié)聲場強(qiáng)度，就可以將不同的液滴拉到一起并融合為一個(gè)。

這種“凝并”有什么應(yīng)用意義呢?它可使多個(gè)包含不同反應(yīng)物質(zhì)的液滴融合在一起，這個(gè)過程不需要任何其他外力，并使液滴在聲場中加速流動(dòng)、混合和反應(yīng)。這種方式可以克服傳統(tǒng)培養(yǎng)皿和人為手工操作的種種弊端，是液滴融合并誘發(fā)反應(yīng)的一種新方式。

突如其來的小氣泡，打開新的研究方向

一直以來，臧教授團(tuán)隊(duì)利用聲場操控水滴，并研究其中的原理、變化。忽然有一天，一個(gè)不速之客的到來，為他們打開了一個(gè)新的研究方向。

2013年4月，臧老師的兩位學(xué)生陳陣和李遠(yuǎn)正在觀察聲場中懸浮的水滴。一眨眼工夫，出現(xiàn)了一件奇怪的事，一直懸浮得很穩(wěn)定的水滴不見了，聲場中飄著的，竟然是一個(gè)氣泡，而且這個(gè)氣泡非常穩(wěn)定，可以保持很長時(shí)間。

兩人沒有放過這個(gè)變化，馬上拍攝視頻，并將當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)記錄下來，匯報(bào)給了當(dāng)時(shí)在海外出差的臧老師。“有趣!非常有趣!”這是臧老師第一次看到氣泡時(shí)的心情。

我們都見過吹肥皂泡。如果你拿一個(gè)吹泡泡棒蘸點(diǎn)肥皂水，棒的整個(gè)縫里就會(huì)出現(xiàn)肥皂水形成的膜，然后對(duì)準(zhǔn)一吹，就能吹出一串泡泡。學(xué)術(shù)上將這個(gè)過程稱為失穩(wěn)現(xiàn)象。實(shí)際上，吹出來是一個(gè)很長的“口袋”，當(dāng)“口袋”斷了之后，開口的一端閉合就形成一個(gè)氣泡。

然而，聲懸浮條件下液滴轉(zhuǎn)化為氣泡的現(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。氣泡是如何產(chǎn)生的呢?

遠(yuǎn)在海外的臧老師迫不及待地囑咐學(xué)生立刻開展研究，讓同學(xué)們用不同液體重復(fù)試驗(yàn)，復(fù)制了產(chǎn)生氣泡的過程。隨后便是異常辛苦的研究。對(duì)著一枚枚小小的氣泡，臧老師帶領(lǐng)同學(xué)們整整研究了5年。

開始時(shí)，團(tuán)隊(duì)從力學(xué)角度分析，但每次感到快接近真相時(shí)，又發(fā)現(xiàn)不是問題的根本。一次次地猜想、驗(yàn)證，又一次次推翻，轉(zhuǎn)眼間，4年過去了。功夫不負(fù)有心人，在研究進(jìn)入第五年時(shí)，團(tuán)隊(duì)從力學(xué)的分析中跳出來，終于發(fā)現(xiàn)了液滴—氣泡現(xiàn)象完美的理論解釋——共振!

超聲懸浮條件下，隨著聲場強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，液滴可以被聲場“壓”成薄片狀的液膜;繼續(xù)調(diào)控聲場，薄膜被彎成碗狀;一旦碗狀液膜達(dá)到合適的體積，便會(huì)與聲場產(chǎn)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。

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。

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)域也有一定借鑒意義。研究成果以“Inducing drop to bubble transformation via resonance in ultrasound”(譯為《聲場共振引起的液滴—氣泡轉(zhuǎn)變》)為題，于今年9月11日在國際頂級(jí)期刊Nature Communications (《自然·通訊》)在線發(fā)表。西工大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學(xué)和英國赫爾大學(xué)。

這種氣泡有什么應(yīng)用意義呢?“我們可以用這樣的方法嘗試制作納米氣泡，它的活性和穩(wěn)定性都很高，在污水處理等方面可以發(fā)揮巨大作用。”臧老師表示，“也可以在這種穩(wěn)定均勻的氣泡表面有序排列微納米顆粒，當(dāng)氣泡破碎后，就得到了新型的微納米材料——氣泡就像一個(gè)‘模具’，比用水滴作‘模具’有好得多的效果。”

臧老師說，氣泡在人們生產(chǎn)生活中扮演著不可或缺的重要角色。比如，在食品加工中的發(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。而臧渡洋老師團(tuán)隊(duì)通過聲控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的液體氣泡，從理論研究和實(shí)際運(yùn)用方面都具有巨大潛力。

談到科研工作和對(duì)學(xué)生的要求，臧老師反復(fù)強(qiáng)調(diào)兩個(gè)詞——好奇心、執(zhí)行力。在臧老師看來，“發(fā)現(xiàn)問題”和“解決問題”同等重要。

研究“氣泡”的例子，讓臧老師和同學(xué)們記憶深刻。在實(shí)驗(yàn)中，很多時(shí)候，同學(xué)們會(huì)把聲場中那些“形狀不規(guī)則”“長得不好看”的水滴用紙巾輕輕蘸掉，擠進(jìn)另一個(gè)水滴，重新做實(shí)驗(yàn)。而當(dāng)水滴變成氣泡時(shí)，同學(xué)們并沒有對(duì)這次“失敗”的實(shí)驗(yàn)一帶而過，強(qiáng)烈的好奇心使他們對(duì)這個(gè)“失敗”的氣泡產(chǎn)生濃厚的興趣，他們認(rèn)真記錄這個(gè)奇特的現(xiàn)象，猜想背后的原理，開始了這段不凡的研究，并在歷經(jīng)艱辛后，取得了豐富的成果。

正是好奇心和執(zhí)行力，讓一個(gè)氣泡背后的原理，最終水落石出。

方丹 中國青年報(bào)·中青在線記者 孫海華

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