【热门】中国科学家让水滴穿上“铠甲”：成理想微型生物或化学反应器

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穿上“微纳”盔甲后，水滴变成“液体弹珠” 西北工业大学的供水图是地球上最常见的物质之一 多年来，西北工业大学理工学院的临渡洋教授团队不断研究水滴 他们在水滴上披上“盔甲”，制成稳定的“液体弹珠”，最终成为理想的微生物/化学反应器，在细胞培养中有着重要的意义 水滴穿上“盔甲”，一切都变成雨水，从天而降，落到地上，在重力的作用下，成为不规则的“摊位”，几乎是我们每个人的常识。 但是，地面上有细小的灰尘，雨滴落在上面，在灰尘中滚动，穿着“灰尘”大衣的雨滴有时会稳定地保持“水滴”的形状 根据这个原理，临渡洋教授团队用小纳米粒子均匀地包裹水滴表面，为水滴“穿铠甲” 这时的水滴不是落在桌子上后马上展开附着在上面，而是在保持形状的情况下在桌子上滚动，还能跳起来的“液体弹珠” 正是因为有了这种不润湿的微纳米“铠甲”，才使得水滴具有“常形”，操纵水滴，转移成为可能。 这种稳定的“液体弹珠”可以用作更理想的微生物/化学反应器 与通常的培养皿相比，这个“立体的”反应器具有很大的特征 例如细胞培养——在以前传递的培养皿中，细胞经常二维生长，在接触器壁有被污染风险的水滴“立体”反应器中，细胞可以三维生长，不会接触“器壁” 臧教授课题组与澳大利亚莫纳什大学合作，成功地用液体弹珠培养了小鼠胚胎干细胞，培养了三维心肌细胞。 “超声波之手”无法操纵水滴，在魏炳波院士和法国巴黎萨克拉门托大学多米尼克万教授的长时间指导下，臧教授团队创新了在声场控制水滴的研究 在声场中，水滴稳定漂浮，就像被“看不见”的手举起来一样 “超声波悬浮”可以“操纵水滴”——臧教授带领同学们开始探索和尝试 他们发现利用声场强度的变化，可以控制“液体弹珠”表面的“盔甲”的开闭。 “在声场中，拉伸力施加在液体弹珠“赤道”的位置，压力施加在“北极”的位置 声场足够大的话，拉伸力和压力就会作用，液体弹珠“北极”的“盔甲”打开一对窗户，液体从“铠甲”中出现。 ’老师的介绍 “除了开门，还能关上——这个操作完全可逆。 通过调节声场的强弱，可以自由地实现水滴表面的微纳米层的开闭 “这个‘开闭’有什么应用意义呢？ 如果使用"液体弹珠"作为微生化反应器，则通过"开关门"，可以从液滴中更简单地提取成分，并植入，可以控制液滴内部反应 另外发现，通过操作声场，实现2个以上的液滴凝聚，即声场中的2个以上的液滴，只需调整声场的强度，就能把不同的液滴吸引到1个中融合。 这个“凝结”有什么应用意义呢？ 可以融合含有不同反应物质的多个液滴，在这个过程中不需要其他外力，加速了声场中的液滴流动、混合、反应 这种方式可以克服以往传来培养皿和人为手工作业的各种弊端，是液滴融合诱发反应的新方法 突然的小气泡开辟了新的研究方向以来，臧教授团队利用声场操作水滴，研究了其原理、变化 有一天，突然来了一位突然的客人，为他们开辟了新的研究方向 年4月，臧老师的两名学生陈阵和李远注意着声场中漂浮的水滴 一瞬间，发生了奇怪的事情。 一直稳定漂浮的水滴不见了。 漂浮在声场里的，竟然是气泡，而且这个气泡很稳定，可以保持很长时间。 两个人不放过这个变化，马上拍视频，记录当时的实验参数，向当时海外出差的老师报告 “感兴趣！ 我很感兴趣！ ’这是老师第一次看到泡沫时的心情 我见过吹肥皂泡。 在吹泡泡的棍子上沾肥皂水的话，整个棍子的间隙就会形成由肥皂水构成的膜，把它吹起来就会喷出泡泡。 学术上把这个过程称为失稳现象 其实，气球是长的“口袋”，“口袋”用完后，开口部的一端关闭，形成气泡。 但是，声音悬浮条件下液滴变化为气泡的现象无法用声音悬浮液滴的平衡形状理论来说明，从现有的液滴的压曲现象来看无法参考 气泡是怎么产生的？ 远在海外的老师让学生马上展开研究，让同学们用不同的液体重复实验，复制气泡产生的过程。 之后，非常辛苦的研究将继续下去 面对小泡沫，臧老师带领同学们研究了整整五年 起初，团队从力学的角度分解了，但每次我觉得很快就会接近真相，我就意识到这不是问题的根本。 一次推测，验证，又一次颠复，转眼四年过去了。 功夫不有心，研究进入第五年时，团队跳出力学分解，终于发现了液滴-气泡现象的完美理论解释-共振！ 在超声波悬浮条件下，随着声场强度的调节，液滴继续通过声场控制被片状液膜“压”的声场，薄膜弯曲成碗状。 碗状的液膜达到适当的体积时与声场共振，大量吸收振动源的能量，导致空腔急剧膨胀，迅速关闭形成气泡 这个研究最重要的发现是被声悬浮弯曲液膜包围的空洞，被认为是与液体性质无关的声谐振器 弯曲的液膜腔达到适当的体积后，无论是增加声场强度还是外部拖动都会产生超声波共振，急剧膨胀形成气泡 这一成果为液滴动力学操作行业的研究提供了新的思路和做法，对壳核型软材料的制造、药物封装等行业也有一定的参考意义 研究成果以“inducingdroptobubbletransformationviaresonanceinultrasound”(翻译为“声场共振引起的液滴-气泡转移”)为题，于今年9月11日国际顶级期刊nature commune 西工大是论文的第一作者和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哈尔大学 这个泡沫有什么应用意义呢？ “你可以用这种方法制造纳米气泡。 活性和稳定性高，在污水解决等方面起着很大的作用。 臧老师说:“也可以在这样稳定均匀的气泡表面规则地排列纳米粒子，气泡破碎后，新的纳米材料气泡如“模具”，比使水滴成为“模具”有效得多。” ’臧老师说气泡在人们的生产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是气泡形成的过程，在制药、化妆品、矿物浮选等多个行业中气泡的作用也是不可或缺的 临渡洋先生团队通过声学控制技术实现的液体气泡在理论研究和实用方面具有很大的潜力 关于科研工作和对学生的要求，臧老师反复强调了两句话:好奇心、执行力 在姜先生看来，“发现问题”和“处理问题”是一样重要的。 研究了“泡沫”的例子，让老师和同学们记忆深刻 实验中，很多时候同学们用纸巾轻轻地浸泡声场中的哪个“形状不规则”“看起来不好看”的水滴，插入另一个水滴重新进行实验 水滴变成气泡时，同学们没有通过这次“失败”的实验一带。 强烈的好奇心使他们对这种“失败”的气泡产生了浓厚的兴趣。 他们认真记录了这一奇怪现象，推测了背后的原理，开始了这一精彩的研究，历经了困难，取得了丰富的成果。 用好奇心和执行力，使气泡背后的原理最终落石出 (原标题:小气泡“吹”新发现穿着水滴“盔甲”变身为“液体弹珠)(本文请从澎湃信息下载越来越多的原始信息是“澎湃信息”APP )