一滴雨水落到地上,受重力作用变成了不规则的“一滩”,但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”外衣的水滴便能稳定地保持“水滴”的形状。西北工业大学理学院臧渡洋教授的团队受此启发,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”,这时水滴落到桌面后不会马上摊开并沾在上面,而是成为了一颗“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,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,在细胞培养中起到重要作用。

  声场作用下

  “液体弹珠”开闭自如

  研究发现,在声场中水滴稳定的悬浮,仿佛被一只“无形”的手托举。臧渡洋老师这样介绍,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。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,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。同时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。

  利用这一手段,当“液体弹珠”作为微型生物化学反应器时,可以通过“开闭门”,就能很便利地从液滴中抽取、植入成分,控制液滴内部反应,能实现含有不同的成分液体融合反应。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”,避免了在普通培养皿中,单纯二维生长,容易被皿壁污染的缺点。他们将老鼠的胚胎干细胞放在“液体弹珠”中培养,成功培育出三维心肌细胞。

  “不速之客”气泡

  打开新的研究方向

  2013年4月,臧老师的两位学生正在观察声场中悬浮的水滴。一眨眼的工夫,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。学生将遇到的情况和数据及视频告诉了臧老师。

  团队对这种奇特现象进行了5年的研究,终于发现在超声悬浮条件下,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的借鉴意义。

  新方法尝试做纳米气泡

  污水处理作用大

  臧渡洋老师介绍,可以利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,还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。通过声控技术实现的液体气泡,无疑从理论研究和实际运用方面都具有巨大的潜力。

  本报记者  张彦刚