Adv. Mater. Interfaces: 声场-磁场耦合作用下的亥姆霍兹共振与气泡生成技术

2023-03-27 03:03

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气泡，广泛存在于自然界和工业过程中。随着科技的发展，人们对气泡的认知与利用也在不断地拓展深化。江河湖海中的气泡能够增加水体的氧气含量，辅助水中生物游泳、调节浮力，等等，对于水生生物不可或缺；在医疗领域，气泡被广泛应用于诊断与治疗中，比如，使用微小气泡作为造影剂的超声造影技术能够描绘出比普通超声检查更为立体、细致的身体组织图像；在材料制备领域，常常通过调节材料中气泡的密度来影响材料的热力学性质，等等。总之，气泡在自然界与工业、医疗等多个领域中都扮演着重要的角色，关于气泡生成的研究有着广阔的应用前景。

近日，西北工业大学臧渡洋教授课题组提出了一种声场-磁场耦合条件下非接触式诱导气泡生成的方法。他们使用超声悬浮装置悬浮磁流体液滴、调节液滴形态，使其呈液膜状悬浮，随后施加磁场，液膜会在声场与磁场的共同作用下转变为气泡。相关研究成果以 “Bubbling of Ferrofluid Droplets via Coupled Magnetic and Sound Fields” 为题，发表于 Advanced Materials Interfaces，并被选为期刊内封面，博士生刘康祺为论文第一作者，在课题组做本科毕业设计的高源同学为共同第一作者。

图1. 期刊内封面：声场、磁场与悬浮的磁流体液滴

在这项研究中，研究人员使用超声悬浮装置来悬浮磁流体液滴，用电磁铁来提供合适的磁场。磁流体是由纳米级磁性固体颗粒、基载液和表面活性剂组成的稳定胶体，能够对磁场产生响应。超声悬浮装置能利用高频声波的非线性效应产生声辐射力，从而克服悬浮物的自身重力，使得物体处于悬浮状态。液滴的形状可以通过调节声场强度来控制。增强声场强度，将液滴挤压成薄膜状（图2.Ⅰ~Ⅷ）。只要保持声场强度不变，扁平的液膜就能在声场中一直保持这种平衡形状。但是，若施加磁场，利用磁力将液膜拖离重力-声辐射力平衡的位置，则会导致液膜屈曲。屈曲的液膜呈碗状（图2.Ⅹ~XI），形成亥姆霍兹共振腔。这种共振腔会迅速吸收声能，使碗状液膜得以快速膨胀和收口，最后形成气泡（图2.XI~XVI）。

图2. 声-磁耦合场条件下的液滴气泡转变过程

在上述方法中，声场和磁场都促进了液滴-气泡的转变过程。但是，磁场对液膜施加的力是均匀的，因此，磁力对液膜只起到整体下拉的作用，而不会产生导致液滴屈曲的扭矩。得益于此，声场在液膜屈曲过程中起到的作用可以得到进一步的研究。为了定量探究声场的作用，研究人员提出了通过声辐射力产生的扭矩来衡量液膜屈曲的方法。数值模拟发现，当液膜偏离平衡位置后，表面的声场也随之改变，声辐射力在液膜表面重新分布，此时，声辐射力倾向于使液膜屈曲。声辐射力的计算结果显示，液膜偏离平衡位置的距离越大，受到的扭矩越大，两者几乎呈线性关系（图3）。当液膜足够薄时，一个很小的扭矩就足以使其失稳屈曲，也就是说，液滴只需下移一小段距离就会发生屈曲。