水滴穿上“鎧甲” 變身“液體彈珠”

穿上“微納”鎧甲後，水滴成為“液體彈珠。西北工業大學供圖

水是地球上最常見的物質之一。多年來，西北工業大學理學院臧渡洋教授團隊一直孜孜不倦地研究水滴。他們給水滴穿上“鎧甲”，使之變成穩定的“液體彈珠”，並最終成為理想的微型生物/化學反應器，在細胞培養中起到重要作用。

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，變成了不規則的“一攤”，這幾乎是我們每個人的常識。但有時候，如果地面有細細的灰塵，雨滴掉在上面，在灰塵裡打個滾，穿著“灰塵”外衣的雨滴便能穩定地保持“水滴”的形狀。

從這個原理出發，臧渡洋教授團隊用一層微奈米顆粒均勻地包裹在水滴表面，為水滴“穿上鎧甲”。這時的水滴，落到桌面後不會馬上攤開並沾在上面，而是成為一顆“液體彈珠”，不但可以保持形態在桌面滾動，甚至還可以蹦來蹦去。

正因為有這層不潤溼的微納“鎧甲”，讓水滴有了“常形”，才使操控、轉移水滴成為可能。而這種穩定的“液體彈珠”，更可作為理想的微型生物/化學反應器。

與普通的培養皿比較，這種“立體”的反應器具有巨大的優勢。比如細胞培養——傳統的培養皿中，細胞常常進行二維生長，且有接觸到器皿壁被汙染的風險；而在水滴“立體”反應器中，細胞可以進行三維生長，且不會接觸“器皿壁”。

臧教授課題組曾與澳大利亞莫納什大學合作，將老鼠的胚胎幹細胞放在液體彈珠中培養，成功培育出了三維心肌細胞。

“超聲的手”，操控水滴於無形

在魏炳波院士和法國巴黎薩克雷大學多米尼克·朗之萬教授長期指導下，臧教授團隊創新開展了用聲場控制水滴的研究。

在聲場中，水滴穩定地懸浮，彷彿被一隻“無形”的手託舉。“超聲懸浮”為“操控”水滴提供了可能——臧教授帶領同學們開始了探索和嘗試。

他們發現，利用聲場強度的變化，可以控制“液體彈珠”表面“鎧甲”的開啟和閉合。“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。當聲場足夠大的時候，在拉力和壓力共同作用下，液體彈珠‘南北極’的‘鎧甲’便會開啟一對視窗，液體便會從‘鎧甲’中顯露出來。”臧老師介紹。

“不但能開門，還能關門——這種操作是完全可逆的。透過調節聲場強弱，可以自由實現水滴表面微納層的開啟與閉合。”這種“開合”有什麼應用意義呢？當“液體彈珠”作為微型生物化學反應器時，可以透過“開閉門”，更加便利地從液滴中抽取、植入成分，使控制液滴內部反應成為可能。

他們還發現，可以透過對聲場的操作，實現兩個或多個液滴的凝並——即在聲場中的兩個或多個液滴，只需調節聲場強度，就可以將不同的液滴拉到一起並融合為一個。

這種“凝並”有什麼應用意義呢？它可使多個包含不同反應物質的液滴融合在一起，這個過程不需要任何其他外力，並使液滴在聲場中加速流動、混合和反應。這種方式可以克服傳統培養皿和人為手工操作的種種弊端，是液滴融合並誘發反應的一種新方式。

突如其來的小氣泡，開啟新的研究方向

一直以來，臧教授團隊利用聲場操控水滴，並研究其中的原理、變化。忽然有一天，一個不速之客的到來，為他們打開了一個新的研究方向。

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

兩人沒有放過這個變化，馬上拍攝影片，並將當時的實驗引數記錄下來，彙報給了當時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的心情。

我們都見過吹肥皂泡。如果你拿一個吹泡泡棒蘸點肥皂水，棒的整個縫裡就會出現肥皂水形成的膜，然後對準一吹，就能吹出一串泡泡。學術上將這個過程稱為失穩現象。實際上，吹出來是一個很長的“口袋”，當“口袋”斷了之後，開口的一端閉合就形成一個氣泡。

然而，聲懸浮條件下液滴轉化為氣泡的現象，既無法用聲懸浮液滴的平衡形狀理論解釋，也無法從現有的液滴失穩現象中得到借鑑。氣泡是如何產生的呢？

遠在海外的臧老師迫不及待地囑咐學生立刻開展研究，讓同學們用不同液體重複試驗，複製了產生氣泡的過程。隨後便是異常辛苦的研究。對著一枚枚小小的氣泡，臧老師帶領同學們整整研究了5年。

開始時，團隊從力學角度分析，但每次感到快接近真相時，又發現不是問題的根本。一次次地猜想、驗證，又一次次推翻，轉眼間，4年過去了。功夫不負有心人，在研究進入第五年時，團隊從力學的分析中跳出來，終於發現了液滴—氣泡現象完美的理論解釋——共振！

超聲懸浮條件下，隨著聲場強度的調節，液滴可以被聲場“壓”成薄片狀的液膜；繼續調控聲場，薄膜被彎成碗狀；一旦碗狀液膜達到合適的體積，便會與聲場產生共振，大量吸收振源的能量，而導致腔體的劇烈膨脹，並迅速閉合形成氣泡。

該研究最重要的發現，是用聲懸浮彎曲液膜包圍的空腔，可看作一種與液體性質無關的聲學諧振器。一旦彎曲的液膜腔體達到合適的體積，無論是增加聲場強度還是透過外部拖拽，都會產生超聲共振，從而突然膨脹形成氣泡。

該成果為液滴動力學操縱領域的研究提供了嶄新的思路和方法，對殼核型軟材料製備、藥物封裝等領域也有一定借鑑意義。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—氣泡轉變》）為題，於今年9月11日在國際頂級期刊Nature Communications （《自然·通訊》）線上發表。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和英國赫爾大學。

這種氣泡有什麼應用意義呢？“我們可以用這樣的方法嘗試製作奈米氣泡，它的活性和穩定性都很高，在汙水處理等方面可以發揮巨大作用。”臧老師表示，“也可以在這種穩定均勻的氣泡表面有序排列微奈米顆粒，當氣泡破碎後，就得到了新型的微奈米材料——氣泡就像一個‘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，在食品加工中的發酵和膨化就是氣泡形成的過程，在製藥、化妝品、礦物浮選等諸多領域也都少不了氣泡的作用。而臧渡洋老師團隊透過聲控技術實現的液體氣泡，從理論研究和實際運用方面都具有巨大潛力。

談到科研工作和對學生的要求，臧老師反覆強調兩個詞——好奇心、執行力。在臧老師看來，“發現問題”和“解決問題”同等重要。

研究“氣泡”的例子，讓臧老師和同學們記憶深刻。在實驗中，很多時候，同學們會把聲場中那些“形狀不規則”“長得不好看”的水滴用紙巾輕輕蘸掉，擠進另一個水滴，重新做實驗。而當水滴變成氣泡時，同學們並沒有對這次“失敗”的實驗一帶而過，強烈的好奇心使他們對這個“失敗”的氣泡產生濃厚的興趣，他們認真記錄這個奇特的現象，猜想背後的原理，開始了這段不凡的研究，並在歷經艱辛後，取得了豐富的成果。

正是好奇心和執行力，讓一個氣泡背後的原理，最終水落石出。