23分36秒不破，如何吹出世界上最长寿的泡泡？

吹泡泡大家玩过，不知道你吹过的泡泡可以保持多久不破。不管你的泡泡曾经创下什么记录，肯定都比不上今天咱要说的泡泡。这个泡泡因为”长寿“，创下了吉尼斯记录。

最近，西北工业大学物理科学与技术学院教授臧渡洋团队吹出最”长寿“的泡泡。这个泡泡“活了”多久呢？足足23分36秒。而且，它在被直径0.8毫米的热铜针穿透时，仍能保持不破裂。这大概是目前世界上“最强悍”的泡泡了。

这时候，你可能满脸问号。为什么这个泡泡能“存活”这么久？吹出这么“长寿”的泡泡到底有啥用？

在回答这些问题之前，我们先来聊一下我们小时候都喜欢玩的泡泡。

大多数人吹泡泡可能就两种方式，要么购买吹泡泡套件，要么用洗衣粉或肥皂自制泡泡水。应该没有人就着一杯清水吹泡泡。为什么清水吹不出泡泡呢？

这是因为水是常见液体中表面张力最高的液体之一，室温下约72.8mN/m。表面张力可以简单理解为表面液体分子受内部液体分子吸引，这种吸引力使液体表面形成一张“膜”。这层“膜”是一种“收缩力”，它试图让液体表面积最小化，形成一个紧凑的形状。要产生稳定的气泡，必须克服这种“收缩力“。

但由于表面张力太大，水变得“软硬不吃”。吹的气太小，不足以克服张力，水膜无法膨胀形成气泡。吹的气太足，气体压力超过了水膜的承受能力，直接将膜击穿，泡泡还没生成就破了。所以吹清水很难吹出气泡。

简单来说，清水难以吹出气泡重要原因之一就是因为表面张力太强。要想吹出气泡，就得降低水的表面张力。肥皂水、洗洁精水等洗涤剂溶液之所以容易吹出气泡，正是因为这些洗涤剂能将水的表面张力从约72.8 mN/m降到约25-30 mN/m，使液体表面变得更"柔软"，更容易弯曲变形，从而更容易形成气泡。

气泡形成后，表面活性剂分子还在气泡膜的内外两侧形成规则的双分子层，为气泡穿上了一层“保护衣”，防止液体流失（排液）和气泡膜的破裂。当气泡膜因外力伸展或变薄时，表面活性剂分子会重新分布到稀疏区域，形成动态修复机制，增强气泡的稳定性。

这就是为什么肥皂泡能维持一段时间不破的重要原因。

但不管用什么牌子的洗涤剂，受湿度、温度、气流等环境因素的影响，标准大气压下吹出的泡泡，最多最多能“活”几分钟。到底什么泡泡能“活”23分36秒，而且还戳不破？

这种泡泡叫声悬浮气泡。

和肥皂泡最大的不同是，声悬浮气泡不是吹出来的，而是“用声音拍打“出来的。什么意思呢？看完声悬浮气泡的制作过程你就明白了。

第一步：创建超声波驻波场。利用超声波设备在特定空间内产生驻波声场。超声波驻波场是由相向传播或反射的超声波相互叠加形成的稳定声场，具有固定的波节和波腹结构，能够利用声辐射力稳定或操控液滴、气泡等微小物体。

简单来说就是，通过超声波驻波场创造一个液滴能稳定悬浮的区域。

第二步：准备液滴。前面我们说过，要更容易吹出泡泡，最好选表面张力小的液体，或者在水中加洗涤剂，降低水的表面张力。但制作声悬浮气泡正好相反，得尽量选表面张力大的液体。因为较高的表面张力有助于液滴在声场中保持稳定的球形，不易分散或破裂。如果表面张力过低，液滴可能在声场力作用下分裂成更小的液滴或飞散。水、甘油溶液、硅油等表面张力较大液体都也可以用于制作声悬浮气泡。

当然，除了表面张力之外，液滴的粘度、密度、挥发性和尺寸等属性都得考虑。臧渡洋团队此次实验用的是去离子水

第三步：诱导液滴转变为气泡。这一步一般有两种途径。一种是液滴被声场"拍打"形成气泡。

在声悬浮状态下，声场的高频振荡对液滴施加周期性的压缩与拉伸，使液滴持续形变。随着声场持续作用，液滴表面的液膜逐渐被拉伸变薄，最终形成一层极薄的液膜。

在重力与声辐射力的共同作用下，这层液膜弯曲闭合，形成稳定气泡。

这个过程就像揉面团：液滴如同面团，在声场持续"拍打"和"拉伸"下，表面逐渐变薄、弯曲，最终闭合成气泡。闭合后的气泡在声场托举与挤压下，达到稳定状态。

另一种是液滴内部的气核扩展形成气泡。

气泡核是溶解在液体中的微小气体或蒸气囊泡。大多数液体都含有溶解气体，如水中的氧气和氮气。当压力降低或温度升高时，这些溶解气体会释放出来，形成微小的气核。

在驻波声场作用下，液滴内部产生压力梯度。在低压区，溶解气体更易析出，形成初始的微小气核，其体积可能仅有纳米或微米级别。

在声场持续作用下，气核通过压力差和扩散效应不断吸收周围溶解气体而增大。当气核达到一定程度，液滴的表面张力与声辐射压力达到临界平衡，液滴表面开始明显变形，最终在气核周围形成稳定薄膜。

随着气核持续扩张，它突破液滴原始形态限制，最终形成完整气泡。在声场托举和挤压作用下，气泡达到稳定平衡状态。

在高声场强度和特定液滴特性下，液滴更容易被声场拍打成薄膜并闭合形成气泡。而在较稳定的声场或液滴内部存在初始气核时，气核扩展机制更容易发生。

根据报道，臧渡洋团队制作的气泡更可能是通过声场"拍打"形成的。

这两种途径并非完全互斥，可能同时存在，具体取决于实验条件和液滴性质。

第四步：调控声场。调整声场强度和频率，确保气泡能够在稳定位置保持悬浮状态。声场会在气泡内外表面产生相反的声辐射压力，有效抑制液膜排液，维持气泡的稳定性。

普通气泡破裂的主要原因是重力导致液膜中的液体向下排出，膜变薄直至破裂。在超声波驻波场的作用下，声辐射压力对液膜产生托举和挤压作用，抑制液体的下沉和排液。

通过调控声场，即使有外力（例如针头刺穿）试图破坏气泡膜，声辐射压力会迅速重新分布，填补局部区域的压力缺口，从而防止气泡破裂。

这就是声悬浮气泡“长寿”且“强悍”的秘密。

你可能会想：费这么大劲“拍”出一个气泡，到底有什么用？难道只是为了破个纪录，炫个技？当然不是！这个看似脆弱却超长寿的声悬浮气泡，背后隐藏着一系列极具前景的科研和技术应用。

在生物医学、制药和化学工程领域，精准操控微量液体进行化学反应是至关重要的。传统的微流控技术有时候难以实现对液滴的稳定控制，而声悬浮技术可以非接触式地操控液滴，在气泡内部或表面进行高精度的化学反应。比如，在药物合成过程中，声悬浮技术可以减少污染，提升反应效率。在单细胞实验中，它能够包裹单个细胞进行观察和实验，有助于研究细胞行为和药物作用机制。

在太空中进行液体和气泡相关实验时，微重力环境使得液滴和气泡难以稳定存在。而声悬浮技术可以在地面模拟类似微重力的效果，为太空实验提供支持。这在空间材料科学中尤为重要，可以帮助研究不同重力条件下液体和气泡的行为。此外，在航天生物技术领域，声悬浮技术还能支持微重力环境下的细胞培养和生化反应研究。

在材料科学领域，控制液滴的形态和薄膜的均匀性至关重要。声悬浮技术可以帮助在无接触环境下制造高纯度薄膜和高性能纳米材料。比如，通过声场精确控制液膜厚度，可以生产高性能涂层材料，避免接触污染，制备超高纯度材料。这些技术在航空航天、半导体和其他高端制造业中有广泛的应用前景。

声悬浮气泡不仅在实验室有用，还可能直接用于医学诊断和治疗。比如，通过超声波控制微型气泡，可以将药物精准送达到病灶区域，实现靶向药物输送。此外，利用气泡在声场下的响应，可以提高超声影像的清晰度，帮助医生更准确地诊断疾病。

虽然声悬浮气泡已经取得了显著突破，但要真正实现大规模应用，依然面临一些技术难题。首先是气泡的稳定性与控制精度。尽管23分36秒的“长寿”纪录已经很惊人，但在实际应用中，很多场景要求气泡长时间稳定存在，甚至需要在复杂环境下保持稳定。其次是复杂环境的适应性。声悬浮技术在特定的实验环境中表现良好，但在现实工业环境、极端温度或湿度条件下，还需要进一步的技术突破。此外，设备的小型化与成本控制也是一个难题。目前的超声驻波设备往往较为复杂，成本较高，难以大规模普及。

尽管如此，这项技术的未来前景依然十分广阔。在药物输送领域，声悬浮技术可以帮助设计更高效的药物输送系统，减少药物的副作用，提高治疗效果。在高端材料制造领域，通过精确操控气泡和液膜，可以生产更加均匀、稳定的高端材料，广泛应用于航空航天、电子设备等领域。在太空科技领域，声悬浮技术可以帮助科学家完成更多微重力实验，推动航天技术和材料科学的发展。而在医学领域，超声造影技术将变得更加精准，帮助医生更早期地发现疾病，提高诊疗水平。

看似简单的泡泡，背后却隐藏着复杂的科学原理和巨大的应用潜力。从微观实验室到浩瀚太空，声悬浮技术正在逐步改变我们的世界。这个“长寿”的泡泡，不仅仅是一个吉尼斯纪录，更是科学创新的一次重要突破。也许在未来的某一天，你在医院、实验室或太空舱里，都会看到这颗看似脆弱，却蕴含无限可能的“小泡泡”发挥着巨大的作用！

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：秦明 科普作者

审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室 高级工程师

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司