氣泡水平“奔騰”現(xiàn)象挑戰(zhàn)傳統(tǒng)流體力學(xué)

原標(biāo)題：氣泡水平“奔騰”現(xiàn)象挑戰(zhàn)傳統(tǒng)流體力學(xué)

美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)理論的現(xiàn)象：當(dāng)空氣氣泡在液體中受到垂直振動(dòng)時(shí)，這些氣泡并沒有按照預(yù)期的上下運(yùn)動(dòng)，而是表現(xiàn)出類似“奔騰”狀態(tài)的水平移動(dòng)。該發(fā)現(xiàn)在技術(shù)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(yīng)用。相關(guān)研究發(fā)表在新一期《自然·通訊》上。

團(tuán)隊(duì)在利用振動(dòng)研究密封容器中波的行為時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。他們以特定頻率上下?lián)u動(dòng)充滿液體的容器，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入容器的氣泡開始水平移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)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(dòng)腔室，會(huì)導(dǎo)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(huì)開始“奔騰”，通過一系列擺動(dòng)，氣泡會(huì)在液體中向前移動(dòng)。

研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣泡可以在不同的運(yùn)動(dòng)模式之間轉(zhuǎn)換，具體取決于振動(dòng)頻率：直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)，或以無序的跳動(dòng)方式朝多個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。利用這些運(yùn)動(dòng)特性，團(tuán)隊(duì)成功引導(dǎo)氣泡穿越復(fù)雜的液體“迷宮”，甚至按照大小對它們進(jìn)行分類。

氣泡現(xiàn)象在日常生活中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括氣候調(diào)節(jié)、冷卻系統(tǒng)、水處理及化學(xué)生產(chǎn)等應(yīng)用。迄今為止，控制氣泡運(yùn)動(dòng)仍然是一個(gè)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(dǎo)氣泡運(yùn)動(dòng)。

該方法的直接應(yīng)用之一是用于微芯片冷卻系統(tǒng)。在地球上，浮力會(huì)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(gè)大問題。新方法能夠在不依賴重力的情況下主動(dòng)移除氣泡，從而改善衛(wèi)星和太空電子設(shè)備中的熱傳遞。

另一項(xiàng)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(dòng)，就像一個(gè)微型掃地機(jī)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(xué)應(yīng)用（如靶向藥物輸送）帶來創(chuàng)新。（記者張佳欣）