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水滴穿上“铠甲”变身“液体弹珠”西工大这项黑科技不简单可作为理想的微型生物反应器

来源:西安晚报 2018-11-11 04:54   http://www.yybnet.net/

水是地球上最常见的物质之一。西工大理学院臧渡洋教授团队多年来一直孜孜不倦地研究水滴,他们给水滴穿上“铠甲”,变成稳定的“液体弹珠”,最终成为理想的微型生物/化学反应器。

穿上“铠甲”

水滴有了“常形”

人们说水无常形,但臧渡洋教授团队给水滴穿上“铠甲”后,一切都变了。

“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’外衣的雨滴便能稳定地保持水滴的形状。”臧渡洋团队的一位成员介绍,从这个原理出发,臧渡洋和他的团队开始为水滴穿上“铠甲”。

他们用一层微纳米颗粒均匀地包裹在水滴表面,这时的水滴落到桌面后不会马上散开并沾在上面,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。微纳米颗粒“铠甲”让水滴有了“常形”,使操控、转移水滴成为可能。而这种稳定的“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”。臧渡洋教授课题组曾与澳大利亚莫纳什大学合作,将老鼠的胚胎干细胞放在“液体弹珠”中培养,成功培育出了三维心肌细胞。

用“超声悬浮”技术

操控水滴于无形之间

臧渡洋团队创新开展了用声场控制水滴的研究。在声场中,水滴可稳定地悬浮,仿佛被一只“无形”的手托举。“超声悬浮”为操控水滴提供了可能,臧渡洋带领学生们开始了探索和尝试。

他们发现,利用声场强度的变化,可以控制“液体弹珠”表面“铠甲”的打开和闭合。“在声场中,液体弹珠的‘赤道’位置受到的是拉力,在‘南北极’位置受到的是压力。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。”臧渡洋这样介绍,“不但能开门,还能关门,这种操作是完全可逆的,通过调节声场强弱,可以自由地实现水滴表面微纳层的打开与闭合”。

这种“开合”有什么应用意义呢?当“液体弹珠”作为微型生物/化学反应器时,可以通过“开闭门”,更加便利地从液滴中抽取、植入成分,使控制液滴内部反应成为可能。其次他们发现,可以通过对声场的操作,实现两个或多个液滴的凝并(融合聚并变成一个)。这种凝并可使多个包含不同反应物质的液滴融合在一起,这个过程不需要任何其他外力,并使液滴在声场中加速流动、混合和反应。这种方式可以克服传统培养皿和人为手工操作的种种弊端,是液滴融合并诱发反应的一种新方式。

“不速之客”气泡

打开新的研究方向

臧渡洋和学生们利用声场操控水滴,并研究其中的原理、变化。2013年4月,臧渡洋的两位学生陈阵(现就读于香港中文大学)和李远(现就读于重庆大学)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。陈阵和李远没有放过这个变化,他们马上拍摄视频,并将当时的实验参数记录下来,汇报给了当时在海外出差的臧渡洋。

据介绍,声悬浮条件下液滴转化为气泡的现象,既无法用声悬浮液滴的平衡形状理论解释,也无法从现有的液滴失稳现象中得到借鉴。气泡是如何产生的呢?对此,臧渡洋嘱咐学生立刻开展研究,让他们用不同液体重复试验,复制了产生气泡的过程。随后便是异常辛苦的研究,对着一枚枚小小的气泡,臧渡洋带领学生们整整研究了五年。

研究的第五年,臧渡洋团队终于发现了液滴到气泡现象完美的理论解释——共振。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。“可以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。”臧渡洋说。

记者任娜通讯员方舟

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