臧渡洋：探索軟物質的“硬”道理

于曉杰

軟物質，也被稱為復雜流體，其涵蓋面非常廣，日常生活的牛奶、蜂蜜，自然界中的云、霧，都是常見的軟物質；人體中的細胞膜、血液、皮膚等，也均可劃入軟物質的范疇。自1991年法國物理學家de Gennes在其諾貝爾演講辭中首次提出“軟物質”概念以來，軟物質研究迅速成為物理、化學、材料、生物、力學等諸多領域爭相研究的熱點。

臧渡洋，西北工業大學理學院應用物理系副教授，目前，他主要的研究正是圍繞軟物質的相變及力學問題展開的……

從名師 行新途

西安，陜西省的中心，中國古都之首。在這里，西北工業大學為國家孕育了一代又一代的新生力量，而臧渡洋就是其中之一。“我熱愛我的母校，我的母校在航空、航天和航海領域都有比較大的影響力，具有‘三航特色，另外它還有很深的歷史文化積淀。”從1999年到2009年，他在這里從一名本科生成長為一名博士。

回顧過往，臧渡洋最想感謝的就是他的導師魏炳波院士，“我開始是材料專業的，自研究生時期跟隨魏老師學習后，才開始了應用物理領域的研究，魏老師是我的引路人，對我的影響很深。”魏老師經常鼓勵學生們去海外學習，他的話至今還留在臧渡洋的腦海里，“去國外留學，不能只看到外國的月亮比中國圓，而要看看他們哪方面圓，哪方面扁。另外，不能只跟蹤、學習國外的東西，要創新，要提出原創性的命題，讓外國人去做解題者！”

2006年，在魏老師的指引和推薦下，臧渡洋作為中法聯合培養博士生，來到巴黎第十一大學學習。“這段經歷讓我很受益，既開闊了我的國際視野，又讓我在不同的課題組經歷了多元化的訓練，同時讓我接觸了更大的學術圈子。”回想起在法國留學的日子，臧渡洋非常感謝他的合作導師DominiqueLangevin教授：一位和藹可親的老太太、世界女科學家成就獎獲得者。“在Dominique的幫助下，我逐漸對軟物質這個領域有了一定了解，并慢慢做出了點成績”臧渡洋說。

出國之前，臧渡洋在多元合金的深過冷及其快速凝固方面做了一些工作，這為他日后的科研生涯打下了堅實的基礎。“在魏老師的指導下，我采用熔融玻璃凈化法實現了Co₄₅Cu₄₅Ni₁₀合金465K的深過冷，發現液態合金在臨界過冷度344K時發生液相分離。同時，枝晶生長速度與過冷度的關系，也在該臨界過冷度前后發生急劇轉變。”此外，他還發現第二相L₂液滴對凝固前沿的拖曳作用，以及液相分離后的偏晶轉變對凝固速度在大過冷度范圍的下降趨勢起主要作用。相關的研究結果發表在AppPhys.A。“這些研究，加深了我對相變本身的理解。盡管我現在關注得更多的是軟物質體系，但恰恰是魏老師幫我打下的材料相變方面的基礎，使我更容易抓住軟物質復雜體系的相變問題，不同的是軟物質中熵的作用更大、動力學效應更顯著。”

回國后，臧渡洋于2009年拿到了巴黎十一大的博士學位，并留在了母校西工大任教。期間，他曾到法國蒙彼利埃第二大學和英國愛丁堡大學進行學術訪問。逐漸地，臧渡洋在科研路上成熟了起來，至今為止，他已經承擔了多個重要的科研項目，收獲了一系列的成果。

水-油/顆粒體系乳液與納米顆粒膜性質是臧渡洋的另一個關注點。“我們利用水-甲苯/SiO₂納米顆粒體系制備了穩定的Pickering乳液，對乳液類型、第二相L₂液滴尺寸變化規律，以及乳液反相機制進行了系統的研究。”最后，他發現分散相液滴尺寸隨剪切速率增大而逐漸減小。相關的研究結果已經發表于Sob Matter。同時，臧渡洋系統研究了納米顆粒潤濕性對單層膜表面壓各向異性、歷史依賴性、滯后效應以及流變特性的影響規律，闡明了顆粒膜性質與泡沫穩定性的關系；發現了納米顆粒單層膜的結構弛豫現象，確定了其本征弛豫時間，給出了SiO₂納米顆粒單層膜結構弛豫的物理解釋。相關的研究結果發表在Phys Rev.E. EurPhys.J.E等著名期刊上。

合金和軟物質屬于完全不同的兩個領域，看似風馬牛不相及，但它們的相變卻有著很多相似性，甚至在臧渡洋的眼里，合金與軟物質有著完美的統一性。“對不同的體系進行研究，就是要更好地挖掘物質相變的共性規律，為研發新材料服務。”臧渡洋如是說。

“聲”控液滴

“魏炳波老師經常鼓勵我要開辟自己的方向，建立自己的團隊，他告訴我，搞科研要有‘創業精神。”在老師的指引下，臧渡洋建立了功能軟物質與材料課題組。目前，團隊一共有10余人，其中有兩名教授，3名年輕教師，“我們基本都是來自不同的專業，但是我們志同道合，都想圍繞軟物質與復雜材料做研究。”

作為實現軟物質功能性的重要組成部分，軟物質界面是臧渡洋課題組的一個重要研究領域。他們致力于研究軟物質界面的特殊物理、化學和力學性質，探索外場對其性質及行為的調控方法和機理，揭示界面性質與宏觀性能的內在聯系。“我們將重點研究軟物質中的潤濕、界面流變以及相變等基礎科學問題，從而為開發新型功能軟物質/軟材料奠定基礎，拓展軟物質在新材料、生物醫藥等領域的應用。”目前，團隊在液滴操縱及其動力學方向已經有所突破！

“水滴落在桌面上會馬上鋪開并粘在上面，而玻璃彈珠卻可在桌面上滾來滾去，不受粘附。能否讓水滴也像玻璃彈珠一樣在桌面滾動？”臧渡洋帶領課題組找到了辦法，那就是給水滴“穿”上一層微/納米顆粒的鎧甲，這層鎧甲具有一定的疏水性。穿上鎧甲的水滴就變成了“液體彈珠”，不但可以自由滾動，甚至還可以蹦來蹦去！

正因為有這層不潤濕的微/納米鎧甲，使得液體彈珠的轉移和操作非常方便，并且非常適合于用作微型的生物或化學反應器。但這層鎧甲的存在對有效地在液體彈珠內部添加化學反應物是不利的。怎么把它穿的鎧甲打開呢？借助超聲懸浮可以方便地實現液體彈珠表面顆粒層的打開與閉合，這種開/合操作完全可逆，“就像開門關門一樣，當門打開時，把化學反應物放進去，再關好門。液體彈珠還可以從聲場中取出來而保持完好無損，從而為后續分析檢測創造便利。”

超聲懸浮還可以讓兩個或多個液體彈珠發生凝并，即融合聚并變成一個。整個過程不借助任何外力，只需把液體彈珠放在聲懸浮裝置中，聲場就會把液體彈珠拉到一起并使之發生凝并。在液體彈珠內裝載不同的反應物質，利用聲懸浮使之凝并，這將會是誘發化學反應的一種新方式。

“更為神奇的是，聲懸浮條件可使液滴轉變為氣泡”臧渡洋說，但是不同于吹氣泡，超聲懸浮條件下，液滴會先被聲場“壓”成薄片狀的液膜，繼續調控聲場，薄膜被彎成碗狀，碗的邊緣會快速收縮合口，最終形成一個閉合的氣泡。“由于其特殊的物理化學性質和所處的極端條件，聲場中的氣泡可以作為新型的生/化反應器，甚至可當做生物學家和化學家的微型實驗室（Labon a Bubble）”他補充道。

超聲懸浮為液滴提供了一種難得的地面模擬的太空無容器環境。除了在物理、力學等基礎研究方面大有用途之外，還可作為功能強大的生化反應/檢測平臺，將在生命科學、新藥物研制和新材料開發等領域發揮重要作用。“總之，超聲懸浮是對液滴進行懸浮操作的強大工具，只要我們能夠精確控制聲場，液滴就能做出相應的響應。水能“聽”聲，而聲音可實現液滴的各種操控。”臧渡洋說。

目前，臧渡洋已經實現了用此方法來測試液滴的性質，在這方面，他還有更大的計劃。“我們想把它開發成一個測量儀器，它將既能實現液滴完全懸浮狀態下的實驗，也能節約成本。”

軟物質中的相變

無論是在合金體系還是在軟物質體系，相分離是一個非常普遍的現象，而且相分離的物理機制相當復雜，除了重力因素以外，第二相L2液滴的Marangoni對流、液滴的凝并與熟化、固/液界面與L₂液滴的撞擊與競爭等，都會影響相分離過程。為獲得均勻彌散凝固組織，人們嘗試利用微重力條件、快速凝固、等方法來克服該類合金的宏觀相分離，取得了一定的研究進展。但截至目前，卻仍然不夠深入。“除了改變合金凝固的物理條件外，對合金熔體主動引入固體顆粒也是對凝固組織及其性能進行控制的方法之一，但是同樣，研究的程度也不到位。”臧渡洋補充道。

為了對這個問題進行更深一步的探索，他主持了國家基金項目“微/納米顆粒對復雜相分離體系凝固組織的調控機制”。在這個項目中，臧渡洋主要想探究兩個問題，“一是納米顆粒對界面遷移的影響過程；另一個是納米顆粒是否會對形核過程產生影響。”而什么是形核呢？他告訴記者：“打個比方說，如果空氣不干凈的時候，就容易下雨。這是因為水蒸氣吸附到灰塵上，易形成雨滴的緣故，而灰塵在這個過程中起到的就是誘發形核的作用。”

帶著這樣的目的，臧渡洋研究了液體彈珠的聲懸浮與表面開/合操控SiO₂納米顆粒對水滴結冰的作用機制。通過實驗，他發現水滴在超疏水表面結冰時具有多種形態變化，且這種變化可通過對液滴表面包覆不同潤濕性的納米顆粒來進行調控，實現從縱向拉長的“桃形”液滴向球形液滴再向橫向膨脹的“飛碟形”液滴的轉變。這種有趣的形態變化是由于納米顆粒對水結冰具有不同的異質形核效果造成的。該研究成果以通訊形式發表于Soft Matter上。

做個頂天立地的科研人

臧渡洋一直堅持著科研和教學并重。在教學工作中，他喜歡充當“引導者”的角色，“灌輸式教育的效果并不好，相對而言讓學生在學習方面發揮主觀能動性，自己去學習探索才是上策。”同時，他還提倡應用物理系的本科生應多進實驗室參與科研。臧渡洋的團隊就接受本科學生參與實驗，而且被接納的本科生中還有不少都發表了科研論文。“在保證不耽誤課程的前提下，參與實驗室科研這將有助于他們學習，同時這對實驗室的發展也是一種支持。”

對于研究生的教育，他則強調要讓學習知識和創造知識并行，“邊學習，邊創造，效率才會高。”而且他告訴學生，學習要采取批判式學習和探究式學習的方式，切記死讀書。

臧渡洋每天的日程都排得很滿，在日常教研工作之外，他還計劃籌辦一次液滴物理領域的國際交流會議，并且寫一本專著。目前，臧渡洋在國際上擔任EMN-2015 Droplet國際會議分會主席，兩個SCI期刊Soft Matter和EPJE的客座編輯。他經常會參與國際的學術交流，臧渡洋認為這對科研工作有兩方面的推動作用：一方面，可以擴大自己的國際影響力：而另一方面，則可以找到開展國際合作的契機。“我曾和一名法國學者及一名澳大利亞學者，共同負責EPJE雜志的一期，在這個過程中，我們就達成了一些合作意向。”

因為科研工作很繁重，他對家人的陪伴并不多，“沒辦法，從事這個行業，就要扎在實驗室里。”他很感謝妻子和老人對這個家庭的付出。當被問及未來的時候，臧渡洋告訴記者他會更加重視產學研結合，做個頂天立地的科研人，他說：“頂天就是要去探索關注科學前沿的問題，而立地就是要去關注產業，解決實際產業界的問題，我覺得我的研究應該與產業界拉近距離。”