臧渡洋：探索軟物質(zhì)的“硬”道理

本刊記者 于曉杰

臧渡洋：探索軟物質(zhì)的“硬”道理

本刊記者 于曉杰

臧渡洋

軟物質(zhì)，也被稱(chēng)為復(fù)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(jiàn)的軟物質(zhì)；人體中的細(xì)胞膜、血液、皮膚等，也均可劃入軟物質(zhì)的范疇。自1991年法國(guó)物理學(xué)家de Gennes在其諾貝爾演講辭中首次提出“軟物質(zhì)”概念以來(lái)，軟物質(zhì)研究迅速成為物理、化學(xué)、材料、生物、力學(xué)等諸多領(lǐng)域爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。

臧渡洋，西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系副教授，目前，他主要的研究正是圍繞軟物質(zhì)的相變及力學(xué)問(wèn)題展開(kāi)的……

從名師 行新途

西安，陜西省的中心，中國(guó)古都之首。在這里，西北工業(yè)大學(xué)為國(guó)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(ài)我的母校，我的母校在航空、航天和航海領(lǐng)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(zhǎng)為一名博士。

回顧過(guò)往，臧渡洋最想感謝的就是他的導(dǎo)師魏炳波院士，“我開(kāi)始是材料專(zhuān)業(yè)的，自研究生時(shí)期跟隨魏老師學(xué)習(xí)后，才開(kāi)始了應(yīng)用物理領(lǐng)域的研究，魏老師是我的引路人，對(duì)我的影響很深。”魏老師經(jīng)常鼓勵(lì)學(xué)生們?nèi)ズＭ鈱W(xué)習(xí)，他的話(huà)至今還留在臧渡洋的腦海里，“去國(guó)外留學(xué)，不能只看到外國(guó)的月亮比中國(guó)圓，而要看看他們哪方面圓，哪方面扁。另外，不能只跟蹤、學(xué)習(xí)國(guó)外的東西，要?jiǎng)?chuàng)新，要提出原創(chuàng)性的命題，讓外國(guó)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(lián)合培養(yǎng)博士生，來(lái)到巴黎第十一大學(xué)學(xué)習(xí)。“這段經(jīng)歷讓我很受益，既開(kāi)闊了我的國(guó)際視野，又讓我在不同的課題組經(jīng)歷了多元化的訓(xùn)練，同時(shí)讓我接觸了更大的學(xué)術(shù)圈子。”回想起在法國(guó)留學(xué)的日子，臧渡洋非常感謝他的合作導(dǎo)師Dominique Langevin教授：一位和藹可親的老太太、世界女科學(xué)家成就獎(jiǎng)獲得者。“在Dominique的幫助下，我逐漸對(duì)軟物質(zhì)這個(gè)領(lǐng)域有了一定了解，并慢慢做出了點(diǎn)成績(jī)”臧渡洋說(shuō)。

出國(guó)之前，臧渡洋在多元合金的深過(guò)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。“在魏老師的指導(dǎo)下，我采用熔融玻璃凈化法實(shí)現(xiàn)了Co45Cu45Ni10合金465K的深過(guò)冷，發(fā)現(xiàn)液態(tài)合金在臨界過(guò)冷度344K時(shí)發(fā)生液相分離。同時(shí)，枝晶生長(zhǎng)速度與過(guò)冷度的關(guān)系，也在該臨界過(guò)冷度前后發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變。”此外，他還發(fā)現(xiàn)第二相L2液滴對(duì)凝固前沿的拖曳作用，以及液相分離后的偏晶轉(zhuǎn)變對(duì)凝固速度在大過(guò)冷度范圍的下降趨勢(shì)起主要作用。相關(guān)的研究結(jié)果發(fā)表在App.Phys.A。“這些研究，加深了我對(duì)相變本身的理解。盡管我現(xiàn)在關(guān)注得更多的是軟物質(zhì)體系，但恰恰是魏老師幫我打下的材料相變方面的基礎(chǔ)，使我更容易抓住軟物質(zhì)復(fù)雜體系的相變問(wèn)題，不同的是軟物質(zhì)中熵的作用更大、動(dòng)力學(xué)效應(yīng)更顯著。”

回國(guó)后，臧渡洋于2009年拿到了巴黎十一大的博士學(xué)位，并留在了母校西工大任教。期間，他曾到法國(guó)蒙彼利埃第二大學(xué)和英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問(wèn)。逐漸地，臧渡洋在科研路上成熟了起來(lái)，至今為止，他已經(jīng)承擔(dān)了多個(gè)重要的科研項(xiàng)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(zhì)是臧渡洋的另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。“我們利用水-甲苯/SiO2納米顆粒體系制備了穩(wěn)定的Pickering乳液，對(duì)乳液類(lèi)型、第二相L2液滴尺寸變化規(guī)律，以及乳液反相機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。”最后，他發(fā)現(xiàn)分散相液滴尺寸隨剪切速率增大而逐漸減小。相關(guān)的研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于Soft Matter。同時(shí)，臧渡洋系統(tǒng)研究了納米顆粒潤(rùn)濕性對(duì)單層膜表面壓各向異性、歷史依賴(lài)性、滯后效應(yīng)以及流變特性的影響規(guī)律，闡明了顆粒膜性質(zhì)與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系；發(fā)現(xiàn)了納米顆粒單層膜的結(jié)構(gòu)弛豫現(xiàn)象，確定了其本征弛豫時(shí)間，給出了SiO2納米顆粒單層膜結(jié)構(gòu)弛豫的物理解釋。相關(guān)的研究結(jié)果發(fā)表在Phys.Rev.E、Eur.Phys.J.E等著名期刊上。

合金和軟物質(zhì)屬于完全不同的兩個(gè)領(lǐng)域，看似風(fēng)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(zhì)有著完美的統(tǒng)一性。“對(duì)不同的體系進(jìn)行研究，就是要更好地挖掘物質(zhì)相變的共性規(guī)律，為研發(fā)新材料服務(wù)。”臧渡洋如是說(shuō)。

“聲”控液滴

“魏炳波老師經(jīng)常鼓勵(lì)我要開(kāi)辟自己的方向，建立自己的團(tuán)隊(duì)，他告訴我，搞科研要有‘創(chuàng)業(yè)精神’。”在老師的指引下，臧渡洋建立了功能軟物質(zhì)與材料課題組。目前，團(tuán)隊(duì)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(lái)自不同的專(zhuān)業(yè)，但是我們志同道合，都想圍繞軟物質(zhì)與復(fù)雜材料做研究。”

作為實(shí)現(xiàn)軟物質(zhì)功能性的重要組成部分，軟物質(zhì)界面是臧渡洋課題組的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。他們致力于研究軟物質(zhì)界面的特殊物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，探索外場(chǎng)對(duì)其性質(zhì)及行為的調(diào)控方法和機(jī)理，揭示界面性質(zhì)與宏觀性能的內(nèi)在聯(lián)系。“我們將重點(diǎn)研究軟物質(zhì)中的潤(rùn)濕、界面流變以及相變等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，從而為開(kāi)發(fā)新型功能軟物質(zhì)/軟材料奠定基礎(chǔ)，拓展軟物質(zhì)在新材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。”目前，團(tuán)隊(duì)在液滴操縱及其動(dòng)力學(xué)方向已經(jīng)有所突破！

“水滴落在桌面上會(huì)馬上鋪開(kāi)并粘在上面，而玻璃彈珠卻可在桌面上滾來(lái)滾去，不受粘附。能否讓水滴也像玻璃彈珠一樣在桌面滾動(dòng)？”臧渡洋帶領(lǐng)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(dòng)，甚至還可以蹦來(lái)蹦去！

正因?yàn)橛羞@層不潤(rùn)濕的微/納米鎧甲，使得液體彈珠的轉(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)器。但這層鎧甲的存在對(duì)有效地在液體彈珠內(nèi)部添加化學(xué)反應(yīng)物是不利的。怎么把它穿的鎧甲打開(kāi)呢？借助超聲懸浮可以方便地實(shí)現(xiàn)液體彈珠表面顆粒層的打開(kāi)與閉合，這種開(kāi)/合操作完全可逆，“就像開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)一樣，當(dāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)，把化學(xué)反應(yīng)物放進(jìn)去，再關(guān)好門(mén)。液體彈珠還可以從聲場(chǎng)中取出來(lái)而保持完好無(wú)損，從而為后續(xù)分析檢測(cè)創(chuàng)造便利。”

超聲懸浮還可以讓兩個(gè)或多個(gè)液體彈珠發(fā)生凝并，即融合聚并變成一個(gè)。整個(gè)過(guò)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(chǎng)就會(huì)把液體彈珠拉到一起并使之發(fā)生凝并。在液體彈珠內(nèi)裝載不同的反應(yīng)物質(zhì)，利用聲懸浮使之凝并，這將會(huì)是誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)的一種新方式。

“更為神奇的是，聲懸浮條件可使液滴轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀荨标岸裳笳f(shuō)，但是不同于吹氣泡，超聲懸浮條件下，液滴會(huì)先被聲場(chǎng)“壓”成薄片狀的液膜，繼續(xù)調(diào)控聲場(chǎng)，薄膜被彎成碗狀，碗的邊緣會(huì)快速收縮合口，最終形成一個(gè)閉合的氣泡。“由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)和所處的極端條件，聲場(chǎng)中的氣泡可以作為新型的生/化反應(yīng)器，甚至可當(dāng)做生物學(xué)家和化學(xué)家的微型實(shí)驗(yàn)室（Lab on a Bubble）”他補(bǔ)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(wú)容器環(huán)境。除了在物理、力學(xué)等基礎(chǔ)研究方面大有用途之外，還可作為功能強(qiáng)大的生化反應(yīng)/檢測(cè)平臺(tái)，將在生命科學(xué)、新藥物研制和新材料開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。“總之，超聲懸浮是對(duì)液滴進(jìn)行懸浮操作的強(qiáng)大工具，只要我們能夠精確控制聲場(chǎng)，液滴就能做出相應(yīng)的響應(yīng)。水能“聽(tīng)”聲，而聲音可實(shí)現(xiàn)液滴的各種操控。”臧渡洋說(shuō)。

目前，臧渡洋已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用此方法來(lái)測(cè)試液滴的性質(zhì)，在這方面，他還有更大的計(jì)劃。“我們想把它開(kāi)發(fā)成一個(gè)測(cè)量?jī)x器，它將既能實(shí)現(xiàn)液滴完全懸浮狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，也能節(jié)約成本。”

軟物質(zhì)中的相變

液體彈珠的聲懸浮與表面開(kāi)/合操控

無(wú)論是在合金體系還是在軟物質(zhì)體系，相分離是一個(gè)非常普遍的現(xiàn)象，而且相分離的物理機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，除了重力因素以外，第二相L2液滴的Marangoni對(duì)流、液滴的凝并與熟化、固/液界面與L2液滴的撞擊與競(jìng)爭(zhēng)等，都會(huì)影響相分離過(guò)程。為獲得均勻彌散凝固組織，人們嘗試?yán)梦⒅亓l件、快速凝固、等方法來(lái)克服該類(lèi)合金的宏觀相分離，取得了一定的研究進(jìn)展。但截至目前，卻仍然不夠深入。“除了改變合金凝固的物理?xiàng)l件外，對(duì)合金熔體主動(dòng)引入固體顆粒也是對(duì)凝固組織及其性能進(jìn)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(bǔ)充道。

為了對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行更深一步的探索，他主持了國(guó)家基金項(xiàng)目“微/納米顆粒對(duì)復(fù)雜相分離體系凝固組織的調(diào)控機(jī)制”。在這個(gè)項(xiàng)目中，臧渡洋主要想探究?jī)蓚€(gè)問(wèn)題，“一是納米顆粒對(duì)界面遷移的影響過(guò)程；另一個(gè)是納米顆粒是否會(huì)對(duì)形核過(guò)程產(chǎn)生影響。”而什么是形核呢？他告訴記者：“打個(gè)比方說(shuō)，如果空氣不干凈的時(shí)候，就容易下雨。這是因?yàn)樗魵馕降交覊m上，易形成雨滴的緣故，而灰塵在這個(gè)過(guò)程中起到的就是誘發(fā)形核的作用。”

帶著這樣的目的，臧渡洋研究了SiO2納米顆粒對(duì)水滴結(jié)冰的作用機(jī)制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)水滴在超疏水表面結(jié)冰時(shí)具有多種形態(tài)變化，且這種變化可通過(guò)對(duì)液滴表面包覆不同潤(rùn)濕性的納米顆粒來(lái)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)從縱向拉長(zhǎng)的“桃形”液滴向球形液滴再向橫向膨脹的“飛碟形”液滴的轉(zhuǎn)變。這種有趣的形態(tài)變化是由于納米顆粒對(duì)水結(jié)冰具有不同的異質(zhì)形核效果造成的。該研究成果以通訊形式發(fā)表于Soft Matter上。

做個(gè)頂天立地的科研人

臧渡洋一直堅(jiān)持著科研和教學(xué)并重。在教學(xué)工作中，他喜歡充當(dāng)“引導(dǎo)者”的角色，“灌輸式教育的效果并不好，相對(duì)而言讓學(xué)生在學(xué)習(xí)方面發(fā)揮主觀能動(dòng)性，自己去學(xué)習(xí)探索才是上策。”同時(shí)，他還提倡應(yīng)用物理系的本科生應(yīng)多進(jìn)實(shí)驗(yàn)室參與科研。臧渡洋的團(tuán)隊(duì)就接受本科學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，而且被接納的本科生中還有不少都發(fā)表了科研論文。“在保證不耽誤課程的前提下，參與實(shí)驗(yàn)室科研這將有助于他們學(xué)習(xí)，同時(shí)這對(duì)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展也是一種支持。”

對(duì)于研究生的教育，他則強(qiáng)調(diào)要讓學(xué)習(xí)知識(shí)和創(chuàng)造知識(shí)并行，“邊學(xué)習(xí)，邊創(chuàng)造，效率才會(huì)高。”而且他告訴學(xué)生，學(xué)習(xí)要采取批判式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)的方式，切記死讀書(shū)。

臧渡洋每天的日程都排得很滿(mǎn)，在日常教研工作之外，他還計(jì)劃籌辦一次液滴物理領(lǐng)域的國(guó)際交流會(huì)議，并且寫(xiě)一本專(zhuān)著。目前，臧渡洋在國(guó)際上擔(dān)任EMN-2015 Droplet國(guó)際會(huì)議分會(huì)主席，兩個(gè)SCI期刊Soft Matter和EPJE的客座編輯。他經(jīng)常會(huì)參與國(guó)際的學(xué)術(shù)交流，臧渡洋認(rèn)為這對(duì)科研工作有兩方面的推動(dòng)作用：一方面，可以擴(kuò)大自己的國(guó)際影響力；而另一方面，則可以找到開(kāi)展國(guó)際合作的契機(jī)。“我曾和一名法國(guó)學(xué)者及一名澳大利亞學(xué)者，共同負(fù)責(zé)EPJE雜志的一期，在這個(gè)過(guò)程中，我們就達(dá)成了一些合作意向。”

因?yàn)榭蒲泄ぷ骱芊敝兀麑?duì)家人的陪伴并不多，“沒(méi)辦法，從事這個(gè)行業(yè)，就要扎在實(shí)驗(yàn)室里。”他很感謝妻子和老人對(duì)這個(gè)家庭的付出。當(dāng)被問(wèn)及未來(lái)的時(shí)候，臧渡洋告訴記者他會(huì)更加重視產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，做個(gè)頂天立地的科研人，他說(shuō)：“頂天就是要去探索關(guān)注科學(xué)前沿的問(wèn)題，而立地就是要去關(guān)注產(chǎn)業(yè)，解決實(shí)際產(chǎn)業(yè)界的問(wèn)題，我覺(jué)得我的研究應(yīng)該與產(chǎn)業(yè)界拉近距離。”