气泡不再一触即破，西工大研究成果被Nature亮点报道！

上述应用都需要气泡具有长寿命。然而，由于气泡膜中重力引起的液体排出，气泡通常是不稳定的，存在时间十分短暂。对于位于同一液体中的纯液体气泡（半径为R，液体密度为ρ），液体排出通常由粘度主导，特征时间为τ=μ/ρgR（其中μ为动态粘度，g为重力加速度）。为了对抗这种影响，人们通常引入表面活性剂聚合物和固体颗粒，以通过改变本体或界面流变性来稳定气泡膜。在Marangoni效应下，肥皂膜中的液体排出会被延迟，因此，由这些膜制成的气泡或泡沫的稳定性会增强。然而，在几十秒的时间尺度上，这种半气泡在液体中的寿命仍然有限。通过将部分润湿的颗粒引入气液界面，增强的界面流变性显著阻止了液体排出，这可能会使气泡保持一年以上。然而，在这种情况下， 气泡膜不再是“自由”的液体表面，并被引入的颗粒严重“污染”。 为了确保气泡既稳定又干净，人们期望在不使用任何表面活性剂或固体颗粒的情况下采用新的稳定方法。

气泡的稳定性还可以通过膜厚的时间变化来揭示，作者通过荧光剖面法进行了该测量。作者绘制了气泡底部的膜厚h _B 与时间的依赖关系（图1d）。在没有声场存在时，h _B 在几秒钟内增加到其最大厚度h _B *，约为103μm（实心符号），遵循与半气泡在液体表面上的情况类似的标度定律（h _B * - h _B ）~ t ^-2/3 。这导致了气泡的快速破裂。然而，在声学悬浮下，h _B 在长时间尺度（约103秒）内几乎保持不变（空心符号）。结果清楚地表明，声学悬浮几乎完全抑制了气泡膜中的液体排出。

图1. 由不同液体形成的声学悬浮气泡的超能力。

稳定机制背后的原理

作者认为抑制液体排出的机制可能与施加在气泡表面上的声辐射力有关。为了验证这一点，作者计算了悬浮器中的声场和作用在气泡表面上的声辐射压力P _A 。由于气泡膜的声阻抗比正常的气液界面低，声波可以穿过气泡膜并在其内表面产生可观的声辐射压力。在稳定悬浮状态下，气泡的重力被声辐射力平衡，等于对外表面和内表面上P _A 的积分。外表面上的声辐射力是向上的，而内表面上的声辐射力是向下的。这表明声辐射力作用的方向相反，因此提供了一个对液体排出产生挤压效应的作用（图2）。

图2. 声辐射力作用在气泡膜上的挤压效应。

此外，声辐射压力还确定了气泡膜的剖面（厚度分布），以调整局部曲率。例如，当声音强度从140.8增加到153.5 dB时，甘油气泡（30wt%）的长宽比从1.15增加到1.83（图3a）。同时，气泡膜的最大厚度从底部移到了赤道区域（图3b），这表明更强的声音强度倾向于将液体驱动到位于气泡赤道区域的声潜能势阱（指声场中的声压节点）。

图3. 声强对气泡形状和膜轮廓的影响。

从能量角度来看，一个稳定悬浮的气泡处于总能量最小值，包括重力势能、声学势能和表面能。这表明，除了表面能外，由重力引起的悬浮气泡膜的任何局部厚度变化，都可能受到声学势能的限制。除了由重力引起的液体排出外，声场还可以稳定其他外部扰动。例如，一个悬浮的气泡可以在被直径为0.8毫米的加热（约50°C）铜针穿透时保持不破裂（图4a）。类似的声学稳定现象还表现在水平（图4b）或垂直（图4c）放置在驻波声场中的平板肥皂膜中，使其免受针穿透的影响。这些观察结果与没有声场存在时气泡被穿孔的情况形成鲜明对比，其中穿孔孔隙由表面张力驱动线性或指数性地扩大。实验结果表面，施加在液膜两侧的声辐射压力极大地抑制了由针状变形引起的变薄过程。因此，肥皂膜中的孔洞形成完全被抑制。

图4. 不同形状（封闭气泡或平面膜）和方位的肥皂膜的声学稳定性和愈合。

小结： 该工作证明了声学悬浮气泡具有非凡的稳定性。 即使不存在任何表面活性剂，纯水泡也可以保持几分钟的完整性。 在稳定悬浮中，驻波声场在气泡内外表面提供了独特的声辐射压力分布，一方面平衡了液体的重力，实现了稳定悬浮，另一方面对气泡膜提供了挤压作用，抵消了静水压力，从而抑制了重力引起的气泡中的液体排出。 通过这种稳定机制，声悬浮气泡在被针头刺穿时可以“自愈”。 这项工作揭示了肥皂泡和薄膜的声学稳定机制，以及超声波和位于声场中的薄液膜之间的一般相互作用。

文章链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/dro2.119