工大黑科技丨软物质的硬科学!水滴、气泡和Nature的故事


(文末有重要福利!)

水,H2O,是由氢、氧两种元素组成的无机物,是地球上最常见的物质之一。

在西工大,却有这样一群人,他们多年来一直孜孜不倦地研究水滴。滴水见太阳,在他们眼中,最普通的一滴水也藏着一个世界,小小的水滴有大大的学问。

在他们手中,水滴仿佛有了生命和灵气,有时欢快地跳动,有时变成飘舞在空中的精灵......


本期“工大黑科技”,我们采访了理学院臧渡洋教授团队。在采访中,臧渡洋教授多次用“好玩”来形容他的研究。在他眼中,这些深奥的基础研究,既“有意义”又“有意思”,而他和同学们多年来用一组组仪器与一滴滴水珠“对话”,似乎也是“很有趣”的事。

在我们的镜头前,臧老师和同学们演示了他们各种让人眼花缭乱的“神操作”,和仪器上那枚圆润透亮的水珠一样吸引人的,是臧老师和同学们眼里迸发的光彩。

水无常形?他们给水滴穿上“铠甲”后,一切都变了

一滴雨水,从天而降,落到地上,在重力作用下,变成了不规则的“一滩”,这几乎是我们每个人的常识。


但有时候,如果地面有细细的灰尘,雨滴掉在上面,在灰尘里打个滚,穿着“灰尘”外衣的雨滴便能稳定地保持“水滴”的形状。


从这个原理出发,臧渡洋老师和同学们开始为水滴“穿上铠甲”。他们用一层微纳米颗粒均匀地包裹在水滴表面,这时的水滴落到桌面后不会马上滩开并沾在上面,而是成为了一颗“液体弹珠”,不但可以保持形态在桌面滚动,甚至还可以蹦来蹦去。

普通水滴,

在玻片上滩开

1

穿上微纳“铠甲”后,

水滴成为“液体弹珠”

2

液体弹珠的弹跳

正因为有这层不润湿的微纳“铠甲”,让水滴有了“常形”,这使操控、转移水滴成为可能。

而这种稳定的“液体弹珠”,更可作为理想的微型生物/化学反应器。这种“立体”的反应器与普通的培养皿比较,具有巨大的优势。比如细胞培养,在传统的培养皿中,细胞常常进行二维生长,且有接触到器皿壁被污染的风险;而在水滴“立体”反应器中,细胞可以进行三维生长,且不会接触“器皿壁”。

臧渡洋教授课题组曾与澳大利亚莫纳什大学合作,将老鼠的胚胎干细胞放在在液体弹珠中培养,成功培育出了三维心肌细胞。

科幻片?他们用“超声的手”,操控水滴于无形之间

在魏炳波院士和Dominique Langevin教授的长期指导下,臧渡洋教授团队创新开展了用声场控制水滴的研究。


在声场中,水滴稳定的悬浮,仿佛被一只“无形”的手托举。

“超声悬浮”,为“操控”水滴提供了可能?臧渡洋教授带领同学们开始了探索和尝试。


首先,他们发现,利用声场强度的变化,可以控制“液体弹珠”表面“铠甲”的打开和闭合。“在声场中,液体弹珠的‘赤道’位置受到的是拉力,在‘南北极’位置受到的是压力。当声场足够大的时候,在拉力和压力共同作用下,液体弹珠‘南北极’的‘铠甲’便会打开一对窗口,液体便会从‘铠甲’中显露出来。”臧渡洋老师这样介绍。


“不但能开门,还能关门,这种操作是完全可逆的,通过调节声场强弱,可以自由实现水滴表面微纳层的打开与闭合”。


这种“开合”有什么应用意义呢?当“液体弹珠”作为微型生物/化学反应器时,可以通过“开闭门”,更加便利地从液滴中抽取、植入成分,使控制液滴内部反应成为可能。

其次,他们发现,可以通过对声场的操作,实现两个或多个液滴的凝并(融合聚并变成一个)。

在声场中的两个或多个液滴,只需调节声场强度,就可以将不同的液滴拉到一起并融合为一个。

这种“凝并”有什么应用意义呢?它可使多个包含不同反应物质的液滴融合在一起,这个过程不需要任何其他外力,并使液滴在声场中加速流动、混合和反应。这种方式可以克服传统培养皿和人为手工操作的种种弊端,是液滴融合并诱发反应的一种新方式。

液滴在超声悬浮中的凝并

意外收获!突如其来的小气泡,为他们打开一片新天地

一直以来,臧渡洋老师和同学们利用声场操控水滴,并研究其中的原理、变化。忽然有一天,一个不速之客的到来,为他们打开了一个新的研究方向。

2013年4月,臧老师的两位学生陈阵(现就读于香港中文大学)和李远(现就读于重庆大学)正在观察声场中悬浮的水滴。一眨眼的功夫,出现了一件奇怪的事,一直悬浮得很稳定的水滴不见了,声场中飘着的,竟然是一个气泡,而且这个气泡非常稳定,可以保持很长时间。

陈阵和李远没有放过这个变化,他们马上拍摄视频,并将当时的实验参数记录下来,汇报给了当时远在海外出差的臧老师!

“有趣!非常有趣!”这是臧渡洋老师第一次看到气泡时的真实心情。

我们都见过吹肥皂泡。如果你拿一个吹泡泡棒蘸点肥皂水,棒的整个缝里就会出现肥皂水形成的膜,然后对准一吹就能吹出一串泡泡。学术上将这个过程称为失稳现象。实际上你吹出来是一个很长的“口袋”,当“口袋”断了之后,开口的一端闭合就形成一个气泡。


然而声悬浮条件下液滴转化为气泡的现象,既无法用声悬浮液滴的平衡形状理论解释,也无法从现有的液滴失稳现象中得到借鉴。气泡是如何产生的呢?

远在海外的臧老师迫不及待地嘱咐学生立刻开展研究,让同学们用不同液体重复试验,复制了产生气泡的过程。

随后便是异常辛苦的研究。对着一枚枚小小的气泡,臧渡洋老师带领同学们整整研究了五年!

刚开始,臧渡洋老师和同学们从力学角度分析,但每次都觉得快接近真相时,又发现不是问题的根本。一次次的猜想、验证,又一次次推翻,转眼间,四年过去了。

功夫不负有心人,在研究进入第五年时,臧渡洋老师团队从力学的分析中跳出来,终于发现了液滴-气泡现象完美的理论解释——共振

超声悬浮条件下,随着声场强度的调节,液滴可以被声场“压”成薄片状的液膜;继续调控声场,薄膜被弯成碗状;一旦碗状液膜达到合适的体积,便会与声场产生共振,大量吸收振源的能量,而导致腔体的剧烈膨胀并迅速闭合形成气泡。

该研究最重要的发现是用声悬浮弯曲液膜包围的空腔,可看作一种与液体性质无关的声学谐振器。一旦弯曲的液膜腔体达到合适的体积,无论是增加声场强度还是通过外部拖拽,都会产生超声共振从而突然膨胀形成气泡。

该成果为液滴动力学操纵领域的研究提供了崭新的思路和方法,对壳核型软材料制备、药物封装等领域也有一定的借鉴意义。

Newsweek、New Scientist、Science News、科技日报等多家知名媒体对研究工作进行了报道。研究成果以“Inducing drop to bubble transformation via resonance in ultrasound”为题于今年9月11日(伦敦时间)在国际顶级期刊Nature Communications (《自然·通讯》)在线发表。西北工业大学为论文的第一作者和唯一通讯作者单位,合作单位有澳大利亚莫纳什大学和英国赫尔大学。

这种气泡有什么应用意义呢?“我们可以用这样的方法尝试制作纳米气泡,它的活性和稳定性都很高,在污水处理等方面可以发挥巨大作用”臧渡洋老师这样介绍,“我们也可以在这种稳定均匀的气泡表面有序排列微纳米颗粒,当气泡破碎后,就得到了新型的微纳米材料,气泡就像一个‘模具’,比用水滴作‘模具’有好得多的效果”。

其实,气泡在人们生产生活中扮演着不可或缺的重要角色,比如在食品加工的发酵和膨化就是气泡形成的过程,在制药、化妆品、矿物浮选等诸多领域也都少不了气泡的作用。而臧渡洋老师团队通过声控技术实现的液体-气泡,无疑从理论研究和实际运用方面都具有巨大的潜力。

好奇心、执行力!“发现问题”和“解决问题”同样重要

臧渡洋老师谈到科研工作和对学生的要求,反复强调两个词——好奇心和执行力,因为在臧渡洋老师看来,“发现问题”和“解决问题”同等重要!

研究“气泡”的例子,让臧老师和同学们一直津津乐道。在实验中,很多时候,同学们会把声场中那些“形状不规则”“长得不好看”的水滴用纸巾轻轻蘸掉,挤进另一个水滴,重新做实验。而当水滴变成气泡时,同学们并没有对这次“失败”的实验一带而过,强烈的好奇心使他们对这个“失败”的气泡产生浓厚的兴趣,他们认真记录这个奇特的现象,猜想背后的原理,开始了这段不凡的研究,并在历经艰辛后,取得了丰富的成果。


正是好奇心和执行力,让一个气泡背后的原理,最终水落石出。

好奇心让我们仰望星空,执行力让我们脚踏实地。也许正是有了这两者,臧老师和同学们才能十年如一日在相对枯燥的基础研究中保持着探索的激情,在冰冷的仪器背后保存着纯真的乐趣。

而在实验室里的他们,眼中始终带着一种光芒,这也许便是科学研究的魅力。

小编送福利

上期“工大黑科技”推送以后,不少同学对文中科研项目产生浓厚兴趣,询问老师联系方式,希望能加入团队攻读研究生。本期小编为大家送福利,有意加入臧渡洋老师团队攻读研究生的同学请注意:

【臧老师对学生的希望】好奇心、执行力强

【臧老师对学生专业要求】偏向于物理或力学专业

【臧老师联系方式】理学院429实验室, 

                                 dyzang@nwpu.edu.cn

欢迎同学们自荐!

还有个大福利

如您对这条推送感兴趣,有科研学术方面问题,请文后留言。

留言点赞最多的3条“学术问题”,主编将请你们和臧渡洋教授喝咖啡,面对面深入交流学术问题。

Let’s talk over coffee.

【线索征集】

        “西北工业大学”微信公众号推出“科技之光”专栏,重点报道学校各方面科技前沿和研究动态,挖掘科研工作背后的故事,展示科技成果和师生风采。

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版权所有

     文案|方丹、韩新蕾、谭佳宜、杨翀瑶

     视觉|付怡、郭肖

     责编|刘建平

     图片|部分来自网络

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