許多人關(guān)于童年的美好記憶中都有玩肥皂泡的經(jīng)歷。這個(gè)由一層水膜和內(nèi)部空氣構(gòu)成的小小氣泡中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)問題。其中，氣泡的產(chǎn)生、維持和破裂是界面科學(xué)一個(gè)重要的基礎(chǔ)問題。常規(guī)用來研究氣泡的流體通常是水，這是由于水具有較小的表面張力，并可以通過外加肥皂等表面活性劑來進(jìn)一步降低，而低表面張力的流體對(duì)于氣泡的穩(wěn)定是有益的。一個(gè)有趣的問題是，如果組成氣泡的水和空氣被完全不同的流體系統(tǒng)所取代，會(huì)發(fā)生什么?
    近日，中科院理化所的劉靜研究小組首次將極高表面張力的液態(tài)金屬和溶液雙流體引入兩相界面系統(tǒng)，提出并闡述了一種由液態(tài)金屬外膜和溶液內(nèi)核組成的全新概念的混合囊泡。論文以正封面文章形式（如下圖）發(fā)表于期刊《AdvancedMaterials Interfaces》 上，題為“液態(tài)金屬囊泡”(Zhao X,Liu J,Liquid metal vacuoles，AdvancedMaterials Interfaces,2022,2200583)。文章第一作者為中科院理化所液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學(xué)研究中心博士后趙曦，通訊作者為劉靜教授。

刊印中的《Advanced Materials Interfaces》封面故事：文章報(bào)道了一種由高表面張力液態(tài)金屬外膜和內(nèi)部溶液組成的混合囊泡。

通過調(diào)節(jié)溶液組成，這種囊泡可以長期穩(wěn)定存在，文章還展示了不同基質(zhì)上囊泡的產(chǎn)生、維持和破裂過程。

該基室溫液態(tài)金屬作為一種特殊流體，其最明顯的特征就是具有極大的表面張力，約是水的十倍大。從表面自由能的角度而言，液態(tài)金屬很難形成膜泡狀結(jié)構(gòu)，即使瞬間形成也會(huì)立刻在曲面拉普拉斯壓差的作用下破裂。而在此項(xiàng)液態(tài)金屬囊泡的研究中，作者通過在堿性溶液中添加能夠親和于液態(tài)金屬表面的活性劑成分來降低液態(tài)金屬和溶液間的界面張力，從而降低囊泡體系的自由能，同時(shí)提升界面強(qiáng)度，促進(jìn)了囊泡體系的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在精確控制的混合溶液配比下，液態(tài)金屬囊泡的穩(wěn)定性得到極大提升，壽命得到明顯延長。最長壽命可超過300秒，且能夠在保持不破裂的前提下通過外力推動(dòng)囊泡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過改變液態(tài)金屬和注射溶液的填充體積，多種具有不同界面結(jié)構(gòu)的大小不一的囊泡可以通過簡(jiǎn)單注射的方式大量地被制造產(chǎn)生，并結(jié)合高速攝影詳細(xì)闡述了其產(chǎn)生和破裂過程如下圖。

(a) 液態(tài)金屬-溶液雙流體囊泡示意圖；(b) 囊泡的產(chǎn)生過程；(c, d) 囊泡的破裂過程；(e) 玻璃棒推動(dòng)囊泡發(fā)生移動(dòng)

除了調(diào)節(jié)混合溶液的組分外，研究者們還借助不同的基底材料與液態(tài)金屬之間的電化學(xué)相互作用來進(jìn)一步降低液態(tài)金屬的表面張力并提升界面強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果將玻璃基底換成石墨，液態(tài)金屬囊泡將變得更加堅(jiān)固，并表現(xiàn)出更加豐富的個(gè)體和集體行為，例如更為多樣的囊泡結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定的囊泡間合并、長大等。其主要機(jī)理在于石墨上液態(tài)金屬表面雙電層的電負(fù)性發(fā)生轉(zhuǎn)變，一方面促進(jìn)了液態(tài)金屬-溶液界面對(duì)表面活性劑分子的吸附，增強(qiáng)了界面強(qiáng)度;另一方面使得液態(tài)金屬表面產(chǎn)生一層極薄的氧化物，進(jìn)一步降低了液態(tài)金屬的表面張力。此外，接觸角和粘附力測(cè)試也顯示出液態(tài)金屬與石墨界面間的潤濕性和接觸線強(qiáng)度都更高，這些也有助于囊泡穩(wěn)定性的提高如下圖。

(a, b) 玻璃和石墨上液態(tài)金屬的接觸角測(cè)試；(c, d) 粘附力測(cè)試；(e, f) 機(jī)理分析

在細(xì)致地闡釋了液態(tài)金屬囊泡的產(chǎn)生和維持機(jī)制外，此研究還展示了不同基底上囊泡的破裂過程。根據(jù)液態(tài)金屬的氧化程度不同，液態(tài)金屬外膜的粘彈性有顯著區(qū)別，導(dǎo)致囊泡破裂時(shí)表現(xiàn)出塌陷和爆破兩種不同的模式。而在石墨基底上，囊泡的破裂行為也變得更加豐富。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石墨上囊泡的破裂通常是從液態(tài)金屬外膜上撕裂出一個(gè)孔洞開始，這個(gè)孔洞可以出現(xiàn)在囊泡的各個(gè)方位。孔洞一旦產(chǎn)生后，原本有液態(tài)金屬外膜維持的囊泡內(nèi)外穩(wěn)定壓差被打破，從而引發(fā)不穩(wěn)定性，造成囊泡的破裂。此外，該研究還揭示了另一特殊的“兩步走”破裂模式，即使液態(tài)金屬外膜部分或全部揭開，內(nèi)部溶液核仍可以借助其表面的一層網(wǎng)絡(luò)狀液態(tài)金屬氧化物維持短時(shí)間的穩(wěn)定后才爆破如下圖。

(a, b) 石墨上液態(tài)金屬囊泡的“兩步走”破裂過程；(c) 囊泡破裂后噴射出的液態(tài)金屬氧化物逐漸溶解

總的來說，此研究首次提出了液態(tài)金屬囊泡的概念，并系統(tǒng)地闡述了囊泡的產(chǎn)生、維持和破裂過程，由此打開了諸多研究和應(yīng)用空間。在界面科學(xué)領(lǐng)域，各種類型的表面活性物質(zhì)（包括表面活性劑和帶有錨定基團(tuán)的分子）對(duì)囊泡系統(tǒng)的影響亟待研究，從而可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件（溶液性質(zhì)和基材材料）選擇性地添加合適的調(diào)控物質(zhì)。此外，由于液態(tài)金屬的高導(dǎo)電特性及雙電層結(jié)構(gòu)，混合囊泡可以進(jìn)一步通過電磁場(chǎng)的控制而移動(dòng)，并且有望在微重力環(huán)境中探索更多未知的流體界面現(xiàn)象。在新興工程領(lǐng)域，混合液體囊泡結(jié)構(gòu)提供了一種形成液態(tài)金屬膠囊的機(jī)會(huì)，這在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中非常重要。而如果能夠在低溫下將微/納米顆粒添加到注射溶液中，該方法可以用于制備囊泡結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)復(fù)合材料。
以上研究得到中科院前沿科學(xué)項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助。

趙曦博士后       中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學(xué)研究中心博士后

主要研究方向?yàn)槭覝匾簯B(tài)金屬在不同外場(chǎng)  下的表面界面物理和流體力學(xué)。
          郵箱：zhaoxi@mail.ipc.ac.cn

劉靜教授       清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所雙聘研究員
         長期從事液態(tài)金屬、生物醫(yī)學(xué)工程與工程熱物理等領(lǐng)域交叉科學(xué)問題研究并作出系列開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬諸多全新科學(xué)現(xiàn)象、基礎(chǔ)效應(yīng)和變革性應(yīng)用途徑，開辟了液態(tài)金屬在生物醫(yī)療、柔性機(jī)器人、印刷電子、3D打印、先進(jìn)能源以及芯片冷卻等領(lǐng)域突破性應(yīng)用，提出并推動(dòng)了中國液態(tài)金屬谷與液態(tài)金屬全新工業(yè)的創(chuàng)建 和發(fā)展，成果在世界 范圍產(chǎn)生廣泛影響。
         郵箱：jliu@mail.ipc.ac.cn