他在研究“奔跑的法拉第波”的過(guò)程中，意外觀察到一個(gè)神奇的氣泡新現(xiàn)象，通過(guò)不斷探究，最終發(fā)現(xiàn)“一座流體界的金礦”。
撰文 | 路飛
一個(gè)尋常的下午，關(guān)劍輝正聚精會(huì)神地觀測(cè)“法拉第波”現(xiàn)象。當(dāng)振蕩容器時(shí)，容器里平靜的液體表面開(kāi)始波動(dòng)。這時(shí)突然有一個(gè)小氣泡意外進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)的圓形容器，隨著振動(dòng)，這個(gè)小氣泡竟垂直于振動(dòng)方向“疾馳”起來(lái)！
難道可以用某種方式控制氣泡進(jìn)行規(guī)律運(yùn)動(dòng)？帶著疑問(wèn)他繼續(xù)求索，2025年2月12日，這篇名為“Galloping Bubbles”的論文正式發(fā)表于Nature Communications。不早不晚，這算是他從北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校數(shù)學(xué)系博士后出站的禮物。
關(guān)劍輝與同事在文中提出了一項(xiàng)被譽(yù)為“革命性”的發(fā)現(xiàn)，垂直振動(dòng)流體腔中的氣泡能自發(fā)打破對(duì)稱性，沿上壁“疾馳”，其自推進(jìn)源于振動(dòng)模式間的共振相互作用。
論文發(fā)表頁(yè)面 | 圖源：官網(wǎng)
首次實(shí)現(xiàn)控制氣泡運(yùn)動(dòng)
氣泡動(dòng)力學(xué)研究自文藝復(fù)興時(shí)期便埋下科學(xué)種子——達(dá)芬奇在《萊斯特手稿》中就曾以羽毛筆細(xì)致勾勒氣泡在渦流中的螺旋上升軌跡，并賦予其“液體的呼吸”這一詩(shī)性的稱呼。
此后數(shù)百年間，氣泡動(dòng)力學(xué)也一直都是流體力學(xué)界熱門話題。盡管亥姆霍茲（1868）建立了氣泡振蕩的經(jīng)典方程，瑞利（1917）推導(dǎo)出空化泡坍塌的數(shù)學(xué)模型，其他學(xué)者也利用過(guò)聲波（acoustic waves）來(lái)驅(qū)動(dòng)這些氣泡，雖然能讓氣泡動(dòng)起來(lái)，但是氣泡的走向都是不規(guī)律的。
如何實(shí)現(xiàn)氣泡的精準(zhǔn)操控？這始終是懸而未決的難題。Galloping bubbles 現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，首次實(shí)現(xiàn)了控制氣泡規(guī)律運(yùn)動(dòng)的方法。
在這項(xiàng)研究中，關(guān)劍輝與同事采用了“三步走”戰(zhàn)略，通過(guò)“實(shí)驗(yàn)-模擬-理論”為研究結(jié)果的可靠性畫上了一個(gè)完美的閉環(huán)。
（a）氣泡在 “疾馳”時(shí)的形狀變化 （b-d）通過(guò)調(diào)節(jié)氣泡體積和驅(qū)動(dòng)力，“疾馳”氣泡可呈現(xiàn)不同的區(qū)域探索模式，包括直線運(yùn)動(dòng)、軌道運(yùn)動(dòng)和類似于生物體搜索策略的“奔跑 - 翻滾”運(yùn)動(dòng)。| 圖源：官網(wǎng)
在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)先是通過(guò)向充滿硅油的透明流體腔注入氣泡，氣泡由于受到浮力會(huì)附著于頂部壁面的薄液膜上。此時(shí)通過(guò)電磁振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)流體腔垂直振動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)振幅超過(guò)臨界閾值A(chǔ)G時(shí)，氣泡便開(kāi)始“疾馳”。
通過(guò)調(diào)節(jié)氣泡體積和驅(qū)動(dòng)力，“疾馳”氣泡可呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)方式，包括直線運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng)，以及“奔跑-翻滾”運(yùn)動(dòng)。
由于“疾馳”氣泡的幾何形狀復(fù)雜，為了該現(xiàn)象的普遍性，團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬納維-斯托克斯（Navier-Stokes equations）方程，發(fā)現(xiàn)半球形氣泡在相同參數(shù)范圍內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)“疾馳”現(xiàn)象，且與實(shí)驗(yàn)中氣泡的形狀振蕩相似，這表明在兩種構(gòu)型中相同的振動(dòng)模式對(duì)運(yùn)動(dòng)起作用。
接著，對(duì)半球形“疾馳”氣泡進(jìn)行光譜分析，將氣泡界面投影到球諧函數(shù)正交基上，發(fā)現(xiàn)其形狀主要由兩個(gè)軸對(duì)稱模式和一個(gè)非對(duì)稱模式主導(dǎo)，非對(duì)稱的模式在氣泡開(kāi)始自推進(jìn)時(shí)才出現(xiàn)，它與振蕩基態(tài)的耦合是氣泡產(chǎn)生凈推進(jìn)的關(guān)鍵。為探究“疾馳”對(duì)稱性破缺是否為氣泡所特有，團(tuán)隊(duì)推導(dǎo)了簡(jiǎn)化振蕩器模型。
簡(jiǎn)化振蕩器模型揭示了該機(jī)制在其他系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的可能性，團(tuán)隊(duì)在文末通過(guò)一系列概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，展示了其在多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，如傳熱系統(tǒng)中的氣體去除、微流體的清潔和運(yùn)輸、基于氣泡的計(jì)算等。
一次實(shí)驗(yàn)差錯(cuò)打開(kāi)新大陸
“我剛來(lái)北卡的時(shí)候，最開(kāi)始是在研究奔跑的法拉第波（Traveling Faraday waves），疾馳氣泡的發(fā)現(xiàn)是偶然之舉。”
關(guān)劍輝丨圖源：本人提供
法拉第波是液體表面在垂直周期性振動(dòng)作用下產(chǎn)生的駐波圖案，由英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）于1831年首次系統(tǒng)研究。傳統(tǒng)法拉第波為駐波，但關(guān)劍輝發(fā)現(xiàn)通過(guò)施加外界條件可激發(fā)行波式傳播，即“奔跑的法拉第波”。
“將液體放進(jìn)一個(gè)圓形容器，然后上下震動(dòng)，產(chǎn)生的法拉第波竟然可以快速地自轉(zhuǎn)。有一次做實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)小氣泡跑進(jìn)了這個(gè)圓形容器，在振動(dòng)的時(shí)候，這個(gè)小氣泡沿著容器壁飛快地奔跑。我于是就把這現(xiàn)象記錄了下來(lái)?！?/p>
研究流體出身的關(guān)劍輝仿佛發(fā)現(xiàn)了新大陸，他和物理數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任Pedro J. Sáenz提出了同一個(gè)問(wèn)題，為什么氣泡會(huì)動(dòng)，且會(huì)垂直于震動(dòng)方向動(dòng)呢（氣泡的跑動(dòng)方向與振動(dòng)方向成90度角）？
帶著疑問(wèn)，關(guān)劍輝繼續(xù)向內(nèi)追問(wèn)，這個(gè)規(guī)律是偶然的，還是普遍的？如果是普遍的，氣泡除此之外還有哪些運(yùn)動(dòng)方式？進(jìn)一步地，如何控制氣泡按照預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)？由此，關(guān)劍輝采用了上文提及的“三步走”策略，將心中的疑問(wèn)一一擊破。
當(dāng)問(wèn)及這項(xiàng)研究中遇到最大的挑戰(zhàn)時(shí)，關(guān)劍輝表示，“很多人會(huì)覺(jué)得注射體積大小一致的氣泡很簡(jiǎn)單，其實(shí)如何控制氣泡大小非常困難?！?/p>
在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中，先是在流體腔內(nèi)填充運(yùn)動(dòng)粘度為固定值的硅油，利用校準(zhǔn)的注射泵通過(guò)頂部壁面小孔注入已知體積的氣泡，通過(guò)多種方法確保氣泡體積測(cè)量誤差在5%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)裝置還要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的兩步調(diào)平過(guò)程，以消除表面傾斜對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響。
另外，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中要保證環(huán)境和溫度不變，因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)對(duì)氣泡的體積有直接影響，熱脹冷縮。裝配了空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室在一天中也是有溫度波動(dòng)的，通常在早上最冷，到中午溫度會(huì)升高，直到下午溫度才會(huì)趨于穩(wěn)定，所以把握好做實(shí)驗(yàn)的時(shí)機(jī)很重要。
實(shí)驗(yàn)中使用高速相機(jī)從側(cè)面拍攝氣泡形狀演變，利用CCD相機(jī)從上方跟蹤氣泡軌跡和速度，通過(guò)粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）可視化氣泡界面振蕩產(chǎn)生的流場(chǎng)。
除了證明氣泡能自發(fā)打破對(duì)稱性沿著上壁“疾馳”，研究團(tuán)隊(duì)還繼續(xù)改變外界條件調(diào)控氣泡不同的運(yùn)動(dòng)模式，通過(guò)成千上百次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了氣泡動(dòng)力學(xué)隨驅(qū)動(dòng)加速度和氣泡體積變化的相圖，明確了不同運(yùn)動(dòng)模式出現(xiàn)的參數(shù)范圍。
通過(guò)概念性驗(yàn)證，關(guān)劍輝對(duì)“疾馳氣泡”未來(lái)的應(yīng)用前景充滿憧憬，“疾馳”機(jī)制可用于從成核點(diǎn)排出氣泡，在沸騰過(guò)程中避免氣泡聚集影響傳熱效率，今后可以運(yùn)用在航天領(lǐng)域。
關(guān)劍輝表示，“目前我們正在把Galloping Bubbles中提及的實(shí)驗(yàn)、模擬、理論三部分繼續(xù)深化，打算寫成3篇paper投到j(luò)ournal of fluid mechanics；以及還在思考，如果把兩個(gè)或者多個(gè)氣泡放在一起，它們會(huì)怎么樣運(yùn)動(dòng)?！?/p>
海外求學(xué)多年，游子選擇回家
關(guān)劍輝2017年博士畢業(yè)于諾森比亞大學(xué)紐卡斯?fàn)柗中?，獲得物理學(xué)博士學(xué)位。隨后，他在牛津大學(xué)工程科學(xué)系擔(dān)任博士后研究助理，并于2019年出站。2019到2024年間，他是北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校數(shù)學(xué)系的博士后研究助理，并兼任數(shù)學(xué)助理教學(xué)教授。研究專長(zhǎng)在于實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、軟物質(zhì)物理學(xué)和植物科學(xué)?！拔覐膩?lái)沒(méi)有想到自己會(huì)走到科研這條路上”，關(guān)劍輝直言。
關(guān)劍輝1990年出生于廣州，14歲時(shí)，他跟隨父親前往英國(guó)學(xué)習(xí)生活，“在國(guó)內(nèi)成績(jī)挺好的，到了英國(guó)英語(yǔ)不過(guò)關(guān)，學(xué)習(xí)非常困難”，他回憶起往事，“父親在外務(wù)工，基本上我一個(gè)人在家，這鍛煉了我獨(dú)立自主的能力。如果父親沒(méi)有執(zhí)意帶我出國(guó)讀書，可能這輩子我都沒(méi)機(jī)會(huì)出去（笑）。”
由于大學(xué)考得不是很理想，關(guān)劍輝勉強(qiáng)去了排名較低的Nottingham Trent大學(xué)讀物理。幸運(yùn)的是本科成績(jī)還不錯(cuò)，他得到了3+1本碩連讀的機(jī)會(huì)。也正是在大學(xué)最后一年，關(guān)劍輝得到了在實(shí)驗(yàn)室工作的機(jī)會(huì)，由此點(diǎn)燃了做科研的興趣。
“我小時(shí)候就對(duì)生物特別好奇，本科（碩士）最后一年導(dǎo)師給了我一個(gè)研究項(xiàng)目，很多昆蟲(chóng)可以將一層薄薄的空氣鎖于身體上，從而可以在水里生活，我覺(jué)得很有意思?！标P(guān)劍輝談起過(guò)往，“之后碩士導(dǎo)師將我推薦給了博士導(dǎo)師，當(dāng)時(shí)組里的研究方向是仿生學(xué)，我們?cè)谘芯恳环N疏水材料，這最初從豬籠草的表面發(fā)現(xiàn)的。說(shuō)來(lái)也巧，小時(shí)候母親帶我去買過(guò)豬籠草。”
關(guān)劍輝與母親 | 圖源：本人提供
博士畢業(yè)后，關(guān)劍輝前往牛津大學(xué)，開(kāi)始第一份博士后的研究工作。除了實(shí)驗(yàn)室工作，關(guān)劍輝和同數(shù)學(xué)系的一個(gè)博后以及牛津植物園的院長(zhǎng)合作研究，用物理學(xué)和數(shù)學(xué)來(lái)研究植物的進(jìn)化，分別在journal of royal society interface和science advances發(fā)表了兩篇自助自導(dǎo)的文章，“沒(méi)有經(jīng)費(fèi)，純興趣驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)師允許我們自由探索。”
從牛津大學(xué)出站后，關(guān)劍輝想換一個(gè)環(huán)境挑戰(zhàn)自我，于是前往北卡開(kāi)始第二份博士后研究工作。在博后工作階段，助理教授兼物理數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任Pedro J. Sáenz主導(dǎo)整個(gè)項(xiàng)目，關(guān)劍輝主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)部分，本科生Connor W. Magoon（目前在讀博）主要負(fù)責(zé)模擬部分，另一名博后Saiful Tamim負(fù)責(zé)理論部分?！按送?，我們和普林斯頓大學(xué)的Howard Stone教授也有合作，我們這篇文章是整個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作?！?/p>
“這篇文章發(fā)表后，Pedro非常高興，他說(shuō)我們發(fā)現(xiàn)了一座流體界的金礦！”當(dāng)被問(wèn)及同儕如何評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作時(shí)，關(guān)劍輝笑起來(lái)，“審稿人認(rèn)為我們的文章簡(jiǎn)潔有力，所以只有一輪審稿就絲滑通過(guò)了！”
除了泡實(shí)驗(yàn)室，關(guān)劍輝一大興趣愛(ài)好是旅游，他直言自己總能在旅途中收獲電光火石的靈感。他的微信頭像就是他在秘魯徒步時(shí)留下的照片，“我想一下，目前已經(jīng)去過(guò)了37個(gè)國(guó)家。我之前有一個(gè)愿望是在35歲之前把七大洲走完，現(xiàn)在看來(lái)這個(gè)愿望得改一改（笑），那就把這個(gè)改成我40歲的愿望吧?！?/p>
目前關(guān)劍輝已從北卡博士后出站，在等待合適的求職機(jī)會(huì)?！拔乙呀?jīng)五年沒(méi)有回家了，希望這個(gè)階段在家里多陪陪母親，之前一家三口分居三大洲，每天只能視頻通話?！?/p>
末了他補(bǔ)充一句，“等忙完這陣子，有空去打卡澳洲和南極洲?！?/p>
參考資料
[1] https://www.nature.com/articles/s41467-025-56611-5
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