穿上“铠甲”的水滴，变成了化学反应器

穿上“微纳”盔甲后，水滴变成了“液态弹珠”。西北绘图技术大学

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的臧笃阳教授的团队一直在孜孜不倦地研究水滴。他们把“盔甲”放在水滴上，使它们成为稳定的“液体弹珠”，最终成为理想的微型生物/化学反应器，在细胞培养中发挥重要作用。

给水滴穿上“盔甲”，一切都变了

一滴雨从天而降，落到了地上。在重力的作用下，它变成了一个不规则的“水池”。这几乎是我们所有人的常识。但有时，如果地面上有细小的灰尘，雨滴落在上面并在灰尘中滚动，披着“灰尘”外衣的雨滴可以稳定地保持“水滴”的形状。

基于这一原理，臧德阳教授的团队在水滴表面均匀包裹了一层微纳颗粒，为水滴“穿上盔甲”。这时，水滴在落到桌面上后不会立即散开并粘在桌面上，而是会变成一个“液体弹珠”，它不仅能保持其在桌面上滚动的形状，还能上下跳动。

正是因为这层不润湿的微纳“盔甲”，水滴才具有了“正常形状”，才有可能操纵和转移水滴。稳定的“液体弹球”可用作理想的微型生物/化学反应器。

与普通培养皿相比，这种“三维”反应器有很大的优势。例如，细胞培养-在传统培养皿中，细胞通常在二维空间中生长，并且存在血管壁被污染的风险。在水滴的“三维”反应器中，细胞可以在三维空间中生长，而不接触“容器壁”。

臧教授的研究小组与澳大利亚莫纳什大学合作，在液体弹珠中培养小鼠胚胎干细胞，并成功培养出三维心肌细胞。

“超声波手”操纵隐形水滴

魏院士与法国萨克雷大学多米尼克？在郎教授的长期指导下，臧教授的团队创新性地开展了声场控制水滴的研究。

在声场中，水滴稳定地悬浮着，就像被一只“看不见的”手举起一样。“超声波悬浮”为“操纵”水滴提供了可能——臧教授带领学生开始探索和尝试。

他们发现“液体弹珠”表面“盔甲”的开合可以通过改变声场强度来控制。“在声场中，液体弹球的‘赤道’位置处于张力之下，而‘北极和南极’位置处于压力之下。当声场足够大时，在张力和压力的共同作用下，液体弹珠的装甲‘北极和南极’将打开一对窗户，液体将从装甲中出现。”臧老师介绍。

“不仅可以开门，还可以关门——这个操作是完全可逆的。通过调节声场的强度，可以*地实现水滴表面微纳层的开合。”这个“开与关”的实际意义是什么？当“液体弹珠”用作微型生化反应器时，通过“开关门”，可以更方便地从液滴中提取和植入成分，从而可以控制液滴的内部反应。

他们还发现，两个或两个以上的液滴可以通过操作声场来实现凝结，也就是说，声场中有两个或两个以上的液滴，不同的液滴可以通过调整声场的强度而被拉在一起并融合成一个液滴。

这种“整合”的实际意义是什么？它可以在没有任何其他外力的情况下将含有不同反应物质的多个液滴融合在一起，并加速液滴在声场中的流动、混合和反应。这种方法可以克服传统培养皿和手工操作的缺点。这是一种融合液滴并引发反应的新方法。

突然出现的小气泡开辟了新的研究方向。

长期以来，臧教授的团队一直使用声场来控制水滴，并研究其中的原理和变化。突然有一天，一位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，臧的两个学生，陈阵和李远，正在观察声场中悬浮的水滴。转眼间，一件奇怪的事情发生了。稳定悬浮的水滴消失了。声场中漂浮的东西变成了一个泡沫。此外，泡沫非常稳定，可以保持很长时间。

两人都没有放弃这一改变。他们立即拍摄了这段视频，记录了当时的实验参数，并向当时正在海外出差的臧老师进行了汇报。“有意思！非常有趣！”这是臧老师第一次看到泡泡。

我们都见过吹肥皂泡。如果你把吹泡泡的棍子浸入肥皂水中，一层肥皂水就会出现在棍子的整个接缝中，然后瞄准吹泡泡就可以吹一串泡泡。从学术上讲，这一过程被称为不稳定性。事实上，井喷是一个非常长的“口袋”。当“口袋”破裂时，开口的一端闭合形成一个气泡。

然而，声悬浮条件下液滴转化为气泡的现象既不能用声悬浮液滴的平衡形状理论来解释，也不能从现有的液滴不稳定现象中借鉴。泡沫是如何产生的？

离家很远的臧老师迫不及待地要求学生立即进行研究，让学生用不同的液体重复实验，以复制气泡产生的过程。随后是极其艰苦的研究。面对小泡泡，臧带领学生们学习了5年。

一开始，团队从机械的角度进行分析，但是每次他们感觉接近事实时，他们发现这不是问题的根源。我一次又一次地猜测、验证和推翻。转眼间，四年过去了。好事多磨。当这项研究进入第五年时，团队跳出了机械分析，最终找到了水滴-气泡现象-共振的完美理论解释！

在超声悬浮条件下，通过调整声场强度，声场可以将液滴“压”成液体薄膜；继续控制声场，将胶片弯成碗状；一旦碗状液膜达到合适的体积，它将与声场共振并从振动源吸收大量能量，导致空腔剧烈膨胀并迅速闭合形成气泡。

这项研究最重要的发现是，声悬浮中被弯曲液膜包围的空腔可以被看作是一个与液体性质无关的声谐振器。一旦弯曲的液膜腔达到合适的体积，无论是增加声场强度还是向外拖曳，都会产生超声共振，超声共振会突然膨胀形成气泡。

该结果为液滴动力学操纵的研究提供了新的思路和方法，对核壳软材料的制备、药物包封等领域也具有一定的参考意义。研究结果被命名为“通过超声中的共振导致液滴到气泡的转变”(被翻译为“由声场共振引起的液滴-气泡转变”)，并在*国际期刊《自然通讯》(Nature？时事通讯)在线发布。西工大学是论文的第一作者，也是唯一的通讯作者单位。合作单位是澳大利亚的莫纳什大学和英国的赫尔大学。

这个气泡的应用意义是什么？“我们可以用这种方法尝试制造纳米气泡，它具有高活性和稳定性，在污水处理等方面可以发挥巨大作用。”臧老师说:“在这样稳定均匀的气泡表面有序排列微纳颗粒也是可能的。当气泡破裂时，一种新型的微纳材料——气泡就像一个“模子”，比用水滴做“模子”效果好得多。”

臧老师说，泡沫在人们的生产和生活中起着不可或缺的重要作用。例如，食品加工中的发酵和膨化就是气泡形成的过程，而气泡在制药、化妆品、矿物浮选等许多领域都是不可缺少的。臧德阳团队通过语音控制技术实现的液体气泡在理论研究和实际应用方面都有很大的潜力。

当谈到科学研究和对学生的要求时，臧老师反复强调两个词——好奇心和执行力。臧认为，“发现问题”和“解决问题”同等重要。

“泡泡”的例子给臧老师和学生留下了深刻的印象。在实验中，大多数时候，学生会用纸巾轻轻蘸一下声场中那些“形状不规则”和“难看”的水滴，挤到另一个水滴中，然后再做一次实验。然而，当水滴变成气泡时，学生们没有通过“失败”的实验。他们强烈的好奇心激起了他们对“失败”泡沫的浓厚兴趣。他们仔细记录了这一奇怪的现象，猜测了背后的原理，开始了这项非凡的研究，历经艰辛，他们取得了丰硕的成果。

好奇心和执行力让泡沫背后的原则变得清晰。