科技日報記者 張佳欣
美國北卡羅來納大學教堂山分校研究團隊發(fā)現(xiàn)了一個挑戰(zhàn)傳統(tǒng)流體動力學理論的現(xiàn)象：當空氣氣泡在液體中受到垂直振動時，這些氣泡并沒有按照預期的上下運動，而是表現(xiàn)出類似“奔騰”狀態(tài)的水平移動。該發(fā)現(xiàn)在技術層面能改善微芯片的表面清潔和傳熱性能，并有望在太空中應用。相關研究發(fā)表在新一期《自然·通訊》上。
團隊在利用振動研究密封容器中波的行為時，偶然發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。他們以特定頻率上下?lián)u動充滿液體的容器，會導致進入容器的氣泡開始水平移動。這種運動是由氣泡形狀變化引起的。氣泡通常是球形的，但是，若以正確的頻率振動腔室，會導致氣泡破壞其對稱性并變得不平衡。一旦發(fā)生這種情況，氣泡就會開始“奔騰”，通過一系列擺動，氣泡會在液體中向前移動。
研究同時發(fā)現(xiàn)，氣泡可以在不同的運動模式之間轉換，具體取決于振動頻率：直線運動、圓周運動，或以無序的跳動方式朝多個方向運動。利用這些運動特性，團隊成功引導氣泡穿越復雜的液體“迷宮”，甚至按照大小對它們進行分類。
氣泡現(xiàn)象在日常生活中發(fā)揮著關鍵作用，包括氣候調節(jié)、冷卻系統(tǒng)、水處理及化學生產等應用。迄今為止，控制氣泡運動仍然是一個挑戰(zhàn)，現(xiàn)有方法寥寥無幾且缺乏通用性。而今提出的全新方法，可利用流體不穩(wěn)定性來精確引導氣泡運動。
該方法的直接應用之一是用于微芯片冷卻系統(tǒng)。在地球上，浮力會自然地將氣泡從受熱表面移除，防止過熱。然而，在太空等微重力環(huán)境中不存在浮力，氣泡的移除成為一個大問題。新方法能夠在不依賴重力的情況下主動移除氣泡，從而改善衛(wèi)星和太空電子設備中的熱傳遞。
另一項突破在于表面清潔。“跳躍的氣泡”能夠在塵埃表面彈跳并呈“之”字形移動，就像一個微型掃地機器人一樣，清潔塵埃表面，這或可為工業(yè)清潔和生物醫(yī)學應用（如靶向藥物輸送）帶來創(chuàng)新。
