利用声悬浮可控制备气泡的新技术

伴随着孩童的追逐，五彩缤纷的气泡在空中飘荡，随风而舞，给好奇的孩子们带来了无限快乐；同时，气泡的形成与破裂现象背后，也蕴藏着十分丰富的基础科学问题，吸引着来自物理、化学、力学等不同领域学者的广泛关注。这是因为，气泡在人们生产生活中扮演者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。

在魏炳波院士和Dominique Langevin教授的长期指导下，臧渡洋教授课题组利用超声场提供了一种制备气泡的全新方法，课题组发现了声场诱发的液滴到气泡的转变现象，并揭示了这一转变的声腔共振机制。该研究成果以“Inducing drop to bubble transformation via resonance in ultrasound”为题于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大学和英国赫尔大学。

以往产生气泡的方法，多是借助紊流混合、流动聚焦技术或者微流体所产生的强烈切变，从而提供产生气泡界面所需的能量。这些技术固然可以高效地产生气泡，但是很难用于研究气泡本身的物理问题，特别是气泡膜的物理及力学性质。

在声悬浮条件下，通过调节声场强度，悬浮液滴的形状经历从椭球状到扁平液饼再到弯曲液膜的变化。有趣的是，当液膜的弯曲程度达到某一临界值时，液膜会突然扩张并封闭形成气泡（图1）。这一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。

臧渡洋教授课题组通过系统的实验研究和深入的数值模拟，发现了出现液滴-气泡转变的关键因素之一是液膜弯曲形成一个碗状的空腔。当空腔达到临界体积时，诱发其体积急剧增大。实验发现，该临界体积与液体种类和液滴的初始尺寸无关，而显著依赖于声场的频率。这是因为，气泡弯曲形成的空腔，实际上构成了一个亥姆霍兹谐振腔。当其体积合适时，会与超声场发生共振，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。

由于气泡本质上具有高比表面积，所以当液膜被戳破时，常见的现象是膜孔不断长大，液膜收缩以减小其表面积。最终，要么破碎成许多小液滴，要么形成子气泡。在这项工作中，臧渡洋教授课题组实现了一个“反过程”：液膜的面积不断增大，发生弯曲并迅速扩展成碗状，最终包裹空气形成一个气泡。

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。

在此理论的基础上，臧渡洋教授课题组发展出了利用声悬浮可控制备气泡的新技术。声波能量可以在毫秒尺度内被有效地吸收并使液膜面积增大。此时，声场不仅提供悬浮力，也提供产生新表面的能量。

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。该项工作得到了国家自然科学基金（U1732129）、陕西省基础研究计划（2016JM1003）和中央高校科研业务费（3102016ZY026）的支持，在学术交流与合作方面得到了学校国际合作处的长期支持。Newsweek、New Scientist、Science News等多家知名媒体对研究工作进行了报道。

据悉，臧渡洋教授课题组已在液滴物理与力学领域取得一系列创新性成果，课题组已在Soft Matter、Langmuir、APL、PRE等著名期刊发表了研究论文60余篇；课题组在研究生培养和大学生创新能力培养方面也取得了一定的成绩，多名研究生获得国家奖学金，多项国家级大学生创新实验项目获得优秀结题。臧渡洋教授曾担任Soft Matter、Adv. Cond. Matter Phys.等期刊的客座编辑，现担任软物质领域代表性期刊之一Eur. Phys. J. E副主编。