美國北卡羅來納大學教堂山分校研究團隊發現了一個挑戰傳統流體動力學理論的現象：當空氣氣泡在液體中受到垂直振動時，這些氣泡并沒有按照預期的上下運動，而是表現出類似“奔騰”狀態的水平移動。該發現在技術層面能改善微芯片的表面清潔和傳熱性能，并有望在太空中應用。相關研究發表在新一期《自然·通訊》上。
團隊在利用振動研究密封容器中波的行為時，偶然發現了這一現象。他們以特定頻率上下搖動充滿液體的容器，會導致進入容器的氣泡開始水平移動。這種運動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腔室，會導致氣泡破壞其對稱性并變得不平衡。一旦發生這種情況，氣泡就會開始“奔騰”，通過一系列擺動，氣泡會在液體中向前移動。
研究同時發現，氣泡可以在不同的運動模式之間轉換，具體取決于振動頻率：直線運動、圓周運動，或以無序的跳動方式朝多個方向運動。利用這些運動特性，團隊成功引導氣泡穿越復雜的液體“迷宮”，甚至按照大小對它們進行分類。
氣泡現象在日常生活中發揮著關鍵作用，包括氣候調節、冷卻系統、水處理及化學生產等應用。迄今為止，控制氣泡運動仍然是一個挑戰，現有方法寥寥無幾且缺乏通用性。而今提出的全新方法，可利用流體不穩定性來精確引導氣泡運動。
該方法的直接應用之一是用于微芯片冷卻系統。在地球上，浮力會自然地將氣泡從受熱表面移除，防止過熱。然而，在太空等微重力環境中不存在浮力，氣泡的移除成為一個大問題。新方法能夠在不依賴重力的情況下主動移除氣泡，從而改善衛星和太空電子設備中的熱傳遞。
另一項突破在于表面清潔。“跳躍的氣泡”能夠在塵埃表面彈跳并呈“之”字形移動，就像一個微型掃地機器人一樣，清潔塵埃表面，這或可為工業清潔和生物醫學應用（如靶向藥物輸送）帶來創新。
來源：科技日報
