23分36秒不破，如何吹出世界上最長壽的泡泡？

吹泡泡大家玩過，不知道你吹過的泡泡可以保持多久不破。不管你的泡泡曾經(jīng)創(chuàng)下什么記錄，肯定都比不上今天咱要說的泡泡。這個(gè)泡泡因?yàn)椤遍L壽“，創(chuàng)下了吉尼斯記錄。

最近，西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授臧渡洋團(tuán)隊(duì)吹出最”長壽“的泡泡。這個(gè)泡泡“活了”多久呢？足足23分36秒。而且，它在被直徑0.8毫米的熱銅針穿透時(shí)，仍能保持不破裂。這大概是目前世界上“最強(qiáng)悍”的泡泡了。

這時(shí)候，你可能滿臉問號(hào)。為什么這個(gè)泡泡能“存活”這么久？吹出這么“長壽”的泡泡到底有啥用？

在回答這些問題之前，我們先來聊一下我們小時(shí)候都喜歡玩的泡泡。

大多數(shù)人吹泡泡可能就兩種方式，要么購買吹泡泡套件，要么用洗衣粉或肥皂自制泡泡水。應(yīng)該沒有人就著一杯清水吹泡泡。為什么清水吹不出泡泡呢？

這是因?yàn)樗浅Ｒ娨后w中表面張力最高的液體之一，室溫下約72.8mN/m。表面張力可以簡單理解為表面液體分子受內(nèi)部液體分子吸引，這種吸引力使液體表面形成一張“膜”。這層“膜”是一種“收縮力”，它試圖讓液體表面積最小化，形成一個(gè)緊湊的形狀。要產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡，必須克服這種“收縮力“。

但由于表面張力太大，水變得“軟硬不吃”。吹的氣太小，不足以克服張力，水膜無法膨脹形成氣泡。吹的氣太足，氣體壓力超過了水膜的承受能力，直接將膜擊穿，泡泡還沒生成就破了。所以吹清水很難吹出氣泡。

簡單來說，清水難以吹出氣泡重要原因之一就是因?yàn)楸砻鎻埩μ珡?qiáng)。要想吹出氣泡，就得降低水的表面張力。肥皂水、洗潔精水等洗滌劑溶液之所以容易吹出氣泡，正是因?yàn)檫@些洗滌劑能將水的表面張力從約72.8 mN/m降到約25-30 mN/m，使液體表面變得更"柔軟"，更容易彎曲變形，從而更容易形成氣泡。

氣泡形成后，表面活性劑分子還在氣泡膜的內(nèi)外兩側(cè)形成規(guī)則的雙分子層，為氣泡穿上了一層“保護(hù)衣”，防止液體流失（排液）和氣泡膜的破裂。當(dāng)氣泡膜因外力伸展或變薄時(shí)，表面活性劑分子會(huì)重新分布到稀疏區(qū)域，形成動(dòng)態(tài)修復(fù)機(jī)制，增強(qiáng)氣泡的穩(wěn)定性。

這就是為什么肥皂泡能維持一段時(shí)間不破的重要原因。

但不管用什么牌子的洗滌劑，受濕度、溫度、氣流等環(huán)境因素的影響，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下吹出的泡泡，最多最多能“活”幾分鐘。到底什么泡泡能“活”23分36秒，而且還戳不破？

這種泡泡叫聲懸浮氣泡。

和肥皂泡最大的不同是，聲懸浮氣泡不是吹出來的，而是“用聲音拍打“出來的。什么意思呢？看完聲懸浮氣泡的制作過程你就明白了。

第一步：創(chuàng)建超聲波駐波場(chǎng)。利用超聲波設(shè)備在特定空間內(nèi)產(chǎn)生駐波聲場(chǎng)。超聲波駐波場(chǎng)是由相向傳播或反射的超聲波相互疊加形成的穩(wěn)定聲場(chǎng)，具有固定的波節(jié)和波腹結(jié)構(gòu)，能夠利用聲輻射力穩(wěn)定或操控液滴、氣泡等微小物體。

簡單來說就是，通過超聲波駐波場(chǎng)創(chuàng)造一個(gè)液滴能穩(wěn)定懸浮的區(qū)域。

第二步：準(zhǔn)備液滴。前面我們說過，要更容易吹出泡泡，最好選表面張力小的液體，或者在水中加洗滌劑，降低水的表面張力。但制作聲懸浮氣泡正好相反，得盡量選表面張力大的液體。因?yàn)檩^高的表面張力有助于液滴在聲場(chǎng)中保持穩(wěn)定的球形，不易分散或破裂。如果表面張力過低，液滴可能在聲場(chǎng)力作用下分裂成更小的液滴或飛散。水、甘油溶液、硅油等表面張力較大液體都也可以用于制作聲懸浮氣泡。

當(dāng)然，除了表面張力之外，液滴的粘度、密度、揮發(fā)性和尺寸等屬性都得考慮。臧渡洋團(tuán)隊(duì)此次實(shí)驗(yàn)用的是去離子水

第三步：誘導(dǎo)液滴轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀?。這一步一般有兩種途徑。一種是液滴被聲場(chǎng)"拍打"形成氣泡。

在聲懸浮狀態(tài)下，聲場(chǎng)的高頻振蕩對(duì)液滴施加周期性的壓縮與拉伸，使液滴持續(xù)形變。隨著聲場(chǎng)持續(xù)作用，液滴表面的液膜逐漸被拉伸變薄，最終形成一層極薄的液膜。

在重力與聲輻射力的共同作用下，這層液膜彎曲閉合，形成穩(wěn)定氣泡。

這個(gè)過程就像揉面團(tuán)：液滴如同面團(tuán)，在聲場(chǎng)持續(xù)"拍打"和"拉伸"下，表面逐漸變薄、彎曲，最終閉合成氣泡。閉合后的氣泡在聲場(chǎng)托舉與擠壓下，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

另一種是液滴內(nèi)部的氣核擴(kuò)展形成氣泡。

氣泡核是溶解在液體中的微小氣體或蒸氣囊泡。大多數(shù)液體都含有溶解氣體，如水中的氧氣和氮?dú)?。?dāng)壓力降低或溫度升高時(shí)，這些溶解氣體會(huì)釋放出來，形成微小的氣核。

在駐波聲場(chǎng)作用下，液滴內(nèi)部產(chǎn)生壓力梯度。在低壓區(qū)，溶解氣體更易析出，形成初始的微小氣核，其體積可能僅有納米或微米級(jí)別。

在聲場(chǎng)持續(xù)作用下，氣核通過壓力差和擴(kuò)散效應(yīng)不斷吸收周圍溶解氣體而增大。當(dāng)氣核達(dá)到一定程度，液滴的表面張力與聲輻射壓力達(dá)到臨界平衡，液滴表面開始明顯變形，最終在氣核周圍形成穩(wěn)定薄膜。

隨著氣核持續(xù)擴(kuò)張，它突破液滴原始形態(tài)限制，最終形成完整氣泡。在聲場(chǎng)托舉和擠壓作用下，氣泡達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

在高聲場(chǎng)強(qiáng)度和特定液滴特性下，液滴更容易被聲場(chǎng)拍打成薄膜并閉合形成氣泡。而在較穩(wěn)定的聲場(chǎng)或液滴內(nèi)部存在初始?xì)夂藭r(shí)，氣核擴(kuò)展機(jī)制更容易發(fā)生。

根據(jù)報(bào)道，臧渡洋團(tuán)隊(duì)制作的氣泡更可能是通過聲場(chǎng)"拍打"形成的。

這兩種途徑并非完全互斥，可能同時(shí)存在，具體取決于實(shí)驗(yàn)條件和液滴性質(zhì)。

第四步：調(diào)控聲場(chǎng)。調(diào)整聲場(chǎng)強(qiáng)度和頻率，確保氣泡能夠在穩(wěn)定位置保持懸浮狀態(tài)。聲場(chǎng)會(huì)在氣泡內(nèi)外表面產(chǎn)生相反的聲輻射壓力，有效抑制液膜排液，維持氣泡的穩(wěn)定性。

普通氣泡破裂的主要原因是重力導(dǎo)致液膜中的液體向下排出，膜變薄直至破裂。在超聲波駐波場(chǎng)的作用下，聲輻射壓力對(duì)液膜產(chǎn)生托舉和擠壓作用，抑制液體的下沉和排液。

通過調(diào)控聲場(chǎng)，即使有外力（例如針頭刺穿）試圖破壞氣泡膜，聲輻射壓力會(huì)迅速重新分布，填補(bǔ)局部區(qū)域的壓力缺口，從而防止氣泡破裂。

這就是聲懸浮氣泡“長壽”且“強(qiáng)悍”的秘密。

你可能會(huì)想：費(fèi)這么大勁“拍”出一個(gè)氣泡，到底有什么用？難道只是為了破個(gè)紀(jì)錄，炫個(gè)技？當(dāng)然不是！這個(gè)看似脆弱卻超長壽的聲懸浮氣泡，背后隱藏著一系列極具前景的科研和技術(shù)應(yīng)用。

在生物醫(yī)學(xué)、制藥和化學(xué)工程領(lǐng)域，精準(zhǔn)操控微量液體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的微流控技術(shù)有時(shí)候難以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的穩(wěn)定控制，而聲懸浮技術(shù)可以非接觸式地操控液滴，在氣泡內(nèi)部或表面進(jìn)行高精度的化學(xué)反應(yīng)。比如，在藥物合成過程中，聲懸浮技術(shù)可以減少污染，提升反應(yīng)效率。在單細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，它能夠包裹單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)，有助于研究細(xì)胞行為和藥物作用機(jī)制。

在太空中進(jìn)行液體和氣泡相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，微重力環(huán)境使得液滴和氣泡難以穩(wěn)定存在。而聲懸浮技術(shù)可以在地面模擬類似微重力的效果，為太空實(shí)驗(yàn)提供支持。這在空間材料科學(xué)中尤為重要，可以幫助研究不同重力條件下液體和氣泡的行為。此外，在航天生物技術(shù)領(lǐng)域，聲懸浮技術(shù)還能支持微重力環(huán)境下的細(xì)胞培養(yǎng)和生化反應(yīng)研究。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，控制液滴的形態(tài)和薄膜的均勻性至關(guān)重要。聲懸浮技術(shù)可以幫助在無接觸環(huán)境下制造高純度薄膜和高性能納米材料。比如，通過聲場(chǎng)精確控制液膜厚度，可以生產(chǎn)高性能涂層材料，避免接觸污染，制備超高純度材料。這些技術(shù)在航空航天、半導(dǎo)體和其他高端制造業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。

聲懸浮氣泡不僅在實(shí)驗(yàn)室有用，還可能直接用于醫(yī)學(xué)診斷和治療。比如，通過超聲波控制微型氣泡，可以將藥物精準(zhǔn)送達(dá)到病灶區(qū)域，實(shí)現(xiàn)靶向藥物輸送。此外，利用氣泡在聲場(chǎng)下的響應(yīng)，可以提高超聲影像的清晰度，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地診斷疾病。

雖然聲懸浮氣泡已經(jīng)取得了顯著突破，但要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，依然面臨一些技術(shù)難題。首先是氣泡的穩(wěn)定性與控制精度。盡管23分36秒的“長壽”紀(jì)錄已經(jīng)很驚人，但在實(shí)際應(yīng)用中，很多場(chǎng)景要求氣泡長時(shí)間穩(wěn)定存在，甚至需要在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定。其次是復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。聲懸浮技術(shù)在特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中表現(xiàn)良好，但在現(xiàn)實(shí)工業(yè)環(huán)境、極端溫度或濕度條件下，還需要進(jìn)一步的技術(shù)突破。此外，設(shè)備的小型化與成本控制也是一個(gè)難題。目前的超聲駐波設(shè)備往往較為復(fù)雜，成本較高，難以大規(guī)模普及。

盡管如此，這項(xiàng)技術(shù)的未來前景依然十分廣闊。在藥物輸送領(lǐng)域，聲懸浮技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)更高效的藥物輸送系統(tǒng)，減少藥物的副作用，提高治療效果。在高端材料制造領(lǐng)域，通過精確操控氣泡和液膜，可以生產(chǎn)更加均勻、穩(wěn)定的高端材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子設(shè)備等領(lǐng)域。在太空科技領(lǐng)域，聲懸浮技術(shù)可以幫助科學(xué)家完成更多微重力實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)航天技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展。而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超聲造影技術(shù)將變得更加精準(zhǔn)，幫助醫(yī)生更早期地發(fā)現(xiàn)疾病，提高診療水平。

看似簡單的泡泡，背后卻隱藏著復(fù)雜的科學(xué)原理和巨大的應(yīng)用潛力。從微觀實(shí)驗(yàn)室到浩瀚太空，聲懸浮技術(shù)正在逐步改變我們的世界。這個(gè)“長壽”的泡泡，不僅僅是一個(gè)吉尼斯紀(jì)錄，更是科學(xué)創(chuàng)新的一次重要突破。也許在未來的某一天，你在醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室或太空艙里，都會(huì)看到這顆看似脆弱，卻蘊(yùn)含無限可能的“小泡泡”發(fā)揮著巨大的作用！

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：秦明 科普作者

審核：周曉亮 北京交通大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室 高級(jí)工程師

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司