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针也刺不破的气泡，真的存在吗？
（来源：Droplet）西北工业大学臧渡洋教授及其团队做到了。他表示：“在常规重力条件之下，我们让气泡能够保持长时间稳定，达到了媲美空间站中微重力环境抑制排液的效果，提供了适用于气泡及气泡膜的空间环境的地面模拟途径。”
图 | 臧渡洋（来源：臧渡洋）具体来说，在被直径为 0.8 毫米的热铜针穿透时，一个悬浮气泡仍能保持不破裂，并创下了“地面上最长寿命气泡”的吉尼斯世界纪录。
（来源：资料图）这种无固体表面接触、无化学“污染”、超稳定的声悬浮气泡，在科学研究和工业生产中具有极大的应用前景。
例如，超稳定气泡有助于测量液体的表面张力及其流变学性质，可以作为理想的生物/化学反应器，以用于晶体生长、细胞培养的液体模板/独特的微环境等，从而用于材料工程、流体物理、生命科学等领域。
小气泡，大作用
气泡在自然界和日常生活中随处可见，因其独特的界面力学与热力学性质，在许多工业过程和基础研究中都扮演着重要角色。
尤其值得一提的是气泡膜，它能为物理化学过程提供独特的传热传质边界条件和二维柔性约束。
然而，采用传统方法制备的气泡往往存在生命周期短和稳定性差的问题，极大制约了其在生产生活中的应用。
为了获得寿命较长的气泡，人们通常需要使用表面活性剂或微/纳米颗粒等作为稳定剂，来抑制重力引起的排液问题。
这固然可以延长气泡寿命，但化学稳定剂不可避免地会导致气泡发生“污染”。
为了在不引入化学稳定剂的前提下就能获得长寿型气泡，欧洲学者曾在国际空间站直接利用微重力条件抑制排液，实现了纯水气泡的稳定和较长寿命。
空间站实验虽然可获得长寿命气泡，但其成本极其昂贵，而且不便于结合其它手段进行复杂的实验设计。
因此，一个重要的问题是：能否在地面常重力条件下，寻找一种无需引入化学稳定剂的气泡稳定方法？
在这一问题的驱动下，该课题组在前期液滴声悬浮操控基础上，展开了利用声悬浮制备气泡的研究，并转而采取声场这一物理方法来对气泡进行稳定。
实验证明：即使没有表面活性剂或微/纳米颗粒的稳定作用，气泡仍能通过声场作用在悬浮中稳定下来。
通过施加挤压效应来抑制膜中液体的排液，甚至可以防止因铜针穿透而导致的膜破裂。此外，声场方法还可以通过其附加的声学势力影响气泡的形状。
针也刺不透的气泡
如前所述，本次研究基于课题组此前利用声悬浮制备气泡的一个工作 [1]。
在上一个工作之中，他们发现在合适的条件之下，声场通过声腔共振机制，可以诱导悬浮液膜转变为气泡。
与此同时，该团队也注意到声悬浮条件下的气泡，似乎比常规气泡存活更长时间，这为本次课题埋下了伏笔。
后来他们发现，即使使用针头去穿刺，其仍然能够保持完整。这一十分反常的现象引起了他们的极大兴趣。
当时，臧渡洋和课题组成员都在问同一个问题：“声场中的气泡为什么如此坚固而长寿？”
于是，他们决定成立研究小组，针对这一问题展开深入研究。确定课题之后，他们对上述现象进行了实验。
一开始，该团队首先论证了现象的普适性，发现纯水、硅油、甘油溶液、多种表面活性剂溶液等不同液体，在声悬浮下形成的气泡，均具有远超常规的稳定性。
针对超稳定悬浮气泡寿命的时间尺度加以分析，课题组发现没有任何表面活性剂稳定的纯水气泡，可以存活超过 7 分钟。
而悬浮的十二烷基硫酸钠（SDS，sodium dodecyl sulfate）气泡，可以在超过 15 分钟的时间内保持不破裂，这比没有声场存在时的气泡寿命提高了两个数量级以上。
相比之下，一旦关闭声悬浮器，由于释放了针对气泡表面施加的声辐射力，气泡会迅速排液并伴随着明显的形状变化，最终在几秒钟内破裂。
之后，他们开始深入探究造成气泡超稳定的主要原因。
普通气泡在极短时间内破裂的主要原因，是重力导致的液膜排液。而悬浮气泡能够长时间稳定，极有可能是液膜排液受到了某种抑制。
要想证实这一猜想，就需要测量悬浮气泡的膜厚随时间的变化。因此，他们与西北大学赵伟副教授展开合作。
依靠后者深厚的光学流体测量研究背景，他们搭建了荧光剖面法测液膜膜厚的光学测量装置。
经过测量与分析之后发现：在没有声场存在时，气泡底部液膜会以时间的三分之二次方的幂律，在几秒钟内迅速增加并达到其最大厚度，这导致了气泡的快速破裂。
（来源：Droplet）然而，在声悬浮条件下，底部膜厚在长时间尺度内几乎保持不变。这说明声悬浮几乎完全抑制了气泡膜重力排液现象。
而揭示声悬浮抑制气泡液膜排液的物理机制，是本课题的核心关切。
考虑重力排液被抑制，可能是由于膜内对流导致的动态平衡、抑或是力学作用抗衡重力效果而导致的静态平衡，于是他们进行了如下验证：
其一，液膜流动验证。
通过使用荧光聚苯乙烯颗粒作为示踪粒子，来追踪悬浮气泡液膜中的流动，借此发现在气泡膜中没有明显的流动存在。
其二，气泡旋转验证。
由于悬浮气泡周围的声流可能会刺激气泡绕垂直轴旋转，因此他们使用与气泡直径几乎相同的铜环放置于气泡赤道处，由于环和气泡液体之间的润湿，气泡旋转受到显著抑制。
此时，气泡的稳定性仍然存在，并能在几分钟内保持完整。
其三，超声场验证。
气泡形态会随着声场强度变化产生明显变形，这说明气泡膜受到了声场力的作用。而且撤去声场之后，液体会在极短时间内积聚于气泡底部，从而导致其迅速破裂。
这些结果表明：悬浮气泡的超稳定和对排液的抑制，并不归因于气泡膜中的液体流动、或由声悬浮引起的气泡旋转。
超声场诱导的对于气泡的力学作用，才是气泡超稳定的主要原因。
尽管已经明确悬浮气泡的超稳定主要源于超声场的贡献，但声场抑制液膜排液的具体物理力学机制尚不清晰。
于是，课题组通过有限元软件 COMSOL 模拟了声悬浮气泡的声场分布和受力情况。
结果显示：声波不但可以作用于气泡外表面，且可以穿过气泡膜，并在其内表面产生较为可观的声辐射压力。
在稳定的悬浮状态之下，气泡的重力能在总声辐射力之下保持平衡。而且，气泡外表面上的声辐射力是向上的，而内表面上的声辐射力是向下的。
这说明：气泡内外表面整体所受声辐射力作用的方向相反，从而能对气泡底部液膜产生挤压作用，进而让排液得到显著抑制。
此后，基于模拟结果所揭示的物理图像，为了从理论角度描述声场稳定气泡的力学机制，他们推导了气泡膜受力的理论公式，建立了声悬浮气泡超稳定性的理论模型。
课题组表示：作用于气泡内外壁面的声辐射压积分，不但平衡了气泡的重力，而且也会不可避免地平衡气泡膜的静水压力积分。
对于静水压力来说，它是气泡中液体得以排出的主要驱动力。因此，通过声辐射力可以抑制静水压力，从而完全抑制液膜排液，进而大大延长气泡的寿命。
此外，他们还从能量角度针对气泡稳定性加以分析。在稳定的悬浮之中，驻波声场在内外表面上提供了独特的声辐射压力分布，这导致悬浮气泡具有最小的声势、重力和表面能的总能量。
这种能量不仅可以通过与气泡形状耦合来实现悬浮，还能保持气泡膜的轮廓。因此，对于气泡的形态和膜厚分布，声场也能起到操控的作用。
随着声强的增加、以及气泡逐渐趋于扁平，液膜中的液体会逐渐向赤道位置聚集。而随着声强的减弱，气泡形状会向球形变化，液膜中的液体开始趋向底部汇集。
由此可见，声悬浮气泡有着惊人的抗外部强扰动能力。
而于水平位置、或于垂直位置放置在驻波声场中的平板肥皂膜，也展现出类似的声学稳定现象，同样能做到针也穿不透。这与自然界中的液膜在受到微小扰动后，就会迅速破裂形成了鲜明对比。
这主要是由于：施加在液膜两侧的声辐射压力，可以极大抑制由针状变形引起的变薄过程，因此液膜中孔洞的形成会被完全抑制。
（来源：Droplet）
（来源：Droplet）总的来说，在超声驻波场中悬浮的气泡，其寿命会大大增长。而该团队的声悬浮装置，则为研究气泡的表面性质和传热传质过程提供了崭新手段。
基于这一成果，他们计划开展如下后续研究：
在声场中，气泡的内部声流和外部声流，会显著影响气泡的传热传质过程，这种影响可能会让气泡在声场中的结晶过程产生奇特现象。
同时，声悬浮气泡液膜中的流动会被声场抑制，因此它的形核和生长都可能发生新变化。
因此，他们将探究声悬浮气泡动力学和热力学过程，从而为认识结晶的本质提供新思路。
此外，声悬浮气泡的内外膜都受到了声辐射力的作用，使得气泡外膜受的合力向上，气泡内膜受的合力向下。
若把气泡当作一个外表面由液膜组成的质量块，中心由空气芯组成的弹簧，则整个气泡可以作为一个弹簧带质量的振子。
基于此，课题组打算利用这种虚拟质量的模型去解决气泡在声场当中的能量吸收问题，为制造气泡材料和操控气泡材料提供新的理论模型。
1. Zang,D., Li, L., Di, W., Zhang, Z., Ding, C., Chen, Z., Shen, W., Binks, B. P., and Geng, X., Inducing drop to bubble transformation via resonance in ultrasound, Nature Communication, 2018, 9, 3546
2.Ji, X., Zhong, W., Liu, K., Jiang, Y., Chen, H., Zhao, W., & Zang, D. (2024). Extraordinary stability of surfactant‐free bubbles suspended in ultrasound.Droplet, e119.
排版：罗以
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