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水滴穿上“铠甲” 变身“液体弹珠”

2018-11-19 10:14:29已围观来源:中国青年报编辑:夏雪

  水是地球上最常见的物质之一。多年来,西北工业大学理学院臧渡洋教授团队一直孜孜不倦地研究水滴。他们给水滴穿上“铠甲”,使之变成稳定的“液体弹珠”,并最终成为理想的微型生物/化学反应器,在细胞培养中起到重要作用。

  给水滴穿上“铠甲”,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“一摊”,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,臧渡洋教授团队用一层微纳米颗粒均匀地包裹在水滴表面,为水滴“穿上铠甲”。这时的水滴,落到桌面后不会马上摊开并沾在上面,而是成为一颗“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。

  正因为有这层不润湿的微纳“铠甲”,让水滴有了“常形”,才使操控、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。

  与普通的培养皿比较,这种“立体”的反应器具有巨大的优势。比如细胞培养——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液体弹珠中培养,成功培育出了三维心肌细胞。

  “超声的手”,操控水滴于无形

  在魏炳波院士和法国巴黎萨克雷大学多米尼克·朗之万教授长期指导下,臧教授团队创新开展了用声场控制水滴的研究。

  在声场中,水滴稳定地悬浮,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——臧教授带领同学们开始了探索和尝试。

  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。”臧老师介绍。

  “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。

  他们还发现,可以通过对声场的操作,实现两个或多个液滴的凝并——即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。

  突如其来的小气泡,打开新的研究方向

  一直以来,臧教授团队利用声场操控水滴,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和李远正在观察声场中悬浮的水滴。一眨眼工夫,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。

  两人没有放过这个变化,马上拍摄视频,并将当时的实验参数记录下来,汇报给了当时在海外出差的臧老师。“有趣!非常有趣!”这是臧老师第一次看到气泡时的心情。

  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,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,臧老师带领同学们整整研究了5年。

  开始时,团队从力学角度分析,但每次感到快接近真相时,又发现不是问题的根本。一次次地猜想、验证,又一次次推翻,转眼间,4年过去了。功夫不负有心人,在研究进入第五年时,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借鉴意义。研究成果以“Inducing drop to bubble transformation via resonance in ultrasound”(译为《声场共振引起的液滴—气泡转变》)为题,于今年9月11日在国际顶级期刊Nature Communications (《自然·通讯》)在线发表。西工大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。”臧老师表示,“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。”

  臧老师说,气泡在人们生产生活中扮演着不可或缺的重要角色。比如,在食品加工中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,从理论研究和实际运用方面都具有巨大潜力。

  谈到科研工作和对学生的要求,臧老师反复强调两个词——好奇心、执行力。在臧老师看来,“发现问题”和“解决问题”同等重要。

  研究“气泡”的例子,让臧老师和同学们记忆深刻。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。(方丹 孙海华)