气泡水平“奔腾”现象挑战传统流体力学
发布时间: 2025-03-05 10:56:34
科技日报讯（记者张佳欣）美国北卡罗来纳大学教堂山分校研究团队发现了一个挑战传统流体动力学理论的现象：当空气气泡在液体中受到垂直振动时，这些气泡并没有按照预期的上下运动，而是表现出类似“奔腾”状态的水平移动。该发现在技术层面能改善微芯片的表面清洁和传热性能，并有望在太空中应用。相关研究发表在新一期《自然·通讯》上。
气泡在容器内“奔腾”。图片来源：美国北卡罗来纳大学教堂山分校
团队在利用振动研究密封容器中波的行为时，偶然发现了这一现象。他们以特定频率上下摇动充满液体的容器，会导致进入容器的气泡开始水平移动。这种运动是由气泡形状变化引起的。气泡通常是球形的，但是，若以正确的频率振动腔室，会导致气泡破坏其对称性并变得不平衡。一旦发生这种情况，气泡就会开始“奔腾”，通过一系列摆动，气泡会在液体中向前移动。
研究同时发现，气泡可以在不同的运动模式之间转换，具体取决于振动频率：直线运动、圆周运动，或以无序的跳动方式朝多个方向运动。利用这些运动特性，团队成功引导气泡穿越复杂的液体“迷宫”，甚至按照大小对它们进行分类。
气泡现象在日常生活中发挥着关键作用，包括气候调节、冷却系统、水处理及化学生产等应用。迄今为止，控制气泡运动仍然是一个挑战，现有方法寥寥无几且缺乏通用性。而今提出的全新方法，可利用流体不稳定性来精确引导气泡运动。
该方法的直接应用之一是用于微芯片冷却系统。在地球上，浮力会自然地将气泡从受热表面移除，防止过热。然而，在太空等微重力环境中不存在浮力，气泡的移除成为一个大问题。新方法能够在不依赖重力的情况下主动移除气泡，从而改善卫星和太空电子设备中的热传递。
另一项突破在于表面清洁。“跳跃的气泡”能够在尘埃表面弹跳并呈“之”字形移动，就像一个微型扫地机器人一样，清洁尘埃表面，这或可为工业清洁和生物医学应用（如靶向药物输送）带来创新。
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