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臧渡洋：软物质的硬道理
本刊记者 于晓杰
软物质,也被称为复杂流体,其涵盖面非常广,日常生活的牛奶、蜂蜜,自然界中的云、雾,都是常见的软物质；人体中的细胞膜、血液、皮肤等,也均可划入软物质的范畴.自1991年法国物理学家de Gennes在其诺贝尔演讲辞中首次提出“软物质”概念以来,软物质研究迅速成为物理、化学、材料、生物、力学等诸多领域争相研究的热点.
臧渡洋,西北工业大学理学院应用物理系副教授,目前,他主要的研究正是围绕软物质的相变及力学问题展开的……
从名师 行新途
西安,陕西省的中心,中国古都之首.在这里,西北工业大学为国家孕育了一代又一代的新生力量,而臧渡洋就是其中之一.“我热爱我的母校,我的母校在航空、航天和航海领域都有比较大的影响力,具有‘三航特色’,另外它还有很深的历史文化积淀.”从1999年到2009年,他在这里从一名本科生成长为一名博士.
回顾过往,臧渡洋最想感谢的就是他的导师魏炳波院士,“我开始是材料专业的,自研究生时期跟随魏老师学习后,才开始了应用物理领域的研究,魏老师是我的引路人,对我的影响很深.”魏老师经常鼓励学生们去海外学习,他的话至今还留在臧渡洋的脑海里,“去国外留学,不能只看到外国的月亮比中国圆,而要看看他们哪方面圆,哪方面扁.另外,不能只跟踪、学习国外的东西,要创新,要提出原创性的命题,让外国人去做解题者！”
2006年,在魏老师的指引和推荐下,臧渡洋作为中法联合培养博士生,来到巴黎第十一大学学习.“这段经历让我很受益,既开阔了我的国际视野,又让我在不同的课题组经历了多元化的训练,同时让我接触了更大的学术圈子.”回想起在法国留学的日子,臧渡洋非常感谢他的合作导师D o m i n i q u eL a n g e v i n教授：一位和蔼可亲的老太太、世界女科学家成就奖获得者.“在Dominique的帮助下,我逐渐对软物质这个领域有了一定了解,并慢慢做出了点成绩”臧渡洋说.
出国之前,臧渡洋在多元合金的深过冷及其快速凝固方面做了一些工作,这为他日后的科研生涯打下了坚实的基础.“在魏老师的指导下,我采用熔融玻璃净化法实现了C o45C u45N i10合金465K的深过冷,发现液态合金在临界过冷度344K时发生液相分离.同时,枝晶生长速度与过冷度的关系,也在该临界过冷度前后发生急剧转变.”此外,他还发现第二相L2液滴对凝固前沿的拖曳作用,以及液相分离后的偏晶转变对凝固速度在大过冷度范围的下降趋势起主要作用.相关的研究结果发表在A p p.Phys.A.“这些研究,加深了我对相变本身的理解.尽管我现在关注得更多的是软物质体系,但恰恰是魏老师帮我打下的材料相变方面的基础,使我更容易抓住软物质复杂体系的相变问题,不同的是软物质中熵的作用更大、动力学效应更显著.”
回国后,臧渡洋于2009年拿到了巴黎十一大的博士学位,并留在了母校西工大任教.期间,他曾到法国蒙彼利埃第二大学和英国爱丁堡大学进行学术访问.逐渐地,臧渡洋在科研路上成熟了起来,至今为止,他已经承担了多个重要的科研项目,收获了一系列的成果.
水-油/颗粒体系乳液与纳米颗粒膜性质是臧渡洋的另一个关注点.“我们利用水-甲苯/SiO2纳米颗粒体系制备了稳定的Pickering乳液,对乳液类型、第二相L2液滴尺寸变化规律,以及乳液反相机制进行了系统的研究.”最后,他发现分散相液滴尺寸随剪切速率增大而逐渐减小.相关的研究结果已经发表于Soft Matter .同时,臧渡洋系统研究了纳米颗粒润湿性对单层膜表面压各向异性、历史依赖性、滞后效应以及流变特性的影响规律,阐明了颗粒膜性质与泡沫稳定性的关系；发现了纳米颗粒单层膜的结构弛豫现象,确定了其本征弛豫时间,给出了SiO2纳米颗粒单层膜结构弛豫的物理解释.相关的研究结果发表在P h y s.R e v.E、E u r.Phys.J.E 等著名期刊上.
合金和软物质属于完全不同的两个领域,看似风马牛不相及,但它们的相变却有着很多相似性,甚至在臧渡洋的眼里,合金与软物质有着完美的统一性.“对不同的体系进行研究,就是要更好地挖掘物质相变的共性规律,为研发新材料服务.”臧渡洋如是说.
“声”控液滴
“魏炳波老师经常鼓励我要开辟自己的方向,建立自己的团队,他告诉我,搞科研要有‘创业精神’.”在老师的指引下,臧渡洋建立了功能软物质与材料课题组.目前,团队一共有10余人,其中有两名教授,3名年轻教师,“我们基本都是来自不同的专业,但是我们志同道合,都想围绕软物质与复杂材料做研究.”
作为实现软物质功能性的重要组成部分,软物质界面是臧渡洋课题组的一个重要研究领域.他们致力于研究软物质界面的特殊物理、化学和力学性质,探索外场对其性质及行为的调控方法和机理,揭示界面性质与宏观性能的内在联系.“我们将重点研究软物质中的润湿、界面流变以及相变等基础科学问题,从而为开发新型功能软物质/软材料奠定基础,拓展软物质在新材料、生物医药等领域的应用.”目前,团队在液滴操纵及其动力学方向已经有所突破！
“水滴落在桌面上会马上铺开并粘在上面,而玻璃弹珠却可在桌面上滚来滚去,不受粘附.能否让水滴也像玻璃弹珠一样在桌面滚动？”臧渡洋带领课题组找到了办法,那就是给水滴“穿”上一层微/纳米颗粒的铠甲,这层铠甲具有一定的疏水性.穿上铠甲的水滴就变成了“液体弹珠”,不但可以自由滚动,甚至还可以蹦来蹦去！
正因为有这层不润湿的微/纳米铠甲,使得液体弹珠的转移和操作非常方便,并且非常适合于用作微型的生物或化学反应器.但这层铠甲的存在对有效地在液体弹珠内部添加化学反应物是不利的.怎么把它穿的铠甲打开呢？借助超声悬浮可以方便地实现液体弹珠表面颗粒层的打开与闭合,这种开/合操作完全可逆,“就像开门关门一样,当门打开时,把化学反应物放进去,再关好门.液体弹珠还可以从声场中取出来而保持完好无损,从而为后续分析检测创造便利.”
超声悬浮还可以让两个或多个液体弹珠发生凝并,即融合聚并变成一个.整个过程不借助任何外力,只需把液体弹珠放在声悬浮装置中,声场就会把液体弹珠拉到一起并使之发生凝并.在液体弹珠内装载不同的反应物质,利用声悬浮使之凝并,这将会是诱发化学反应的一种新方式.
“更为神奇的是,声悬浮条件可使液滴转变为气泡”臧渡洋说,但是不同于吹气泡,超声悬浮条件下,液滴会先被声场“压”成薄片状的液膜,继续调控声场,薄膜被弯成碗状,碗的边缘会快速收缩合口,最终形成一个闭合的气泡.“由于其特殊的物理化学性质和所处的极端条件,声场中的气泡可以作为新型的生/化反应器,甚至可当做生物学家和化学家的微型实验室（Lab on aBubble）”他补充道.
超声悬浮为液滴提供了一种难得的地面模拟的太空无容器环境.除了在物理、力学等基础研究方面大有用途之外,还可作为功能强大的生化反应/检测平台,将在生命科学、新药物研制和新材料开发等领域发挥重要作用.“总之,超声悬浮是对液滴进行悬浮操作的强大工具,只要我们能够精确控制声场,液滴就能做出相应的响应.水能“听”声,而声音可实现液滴的各种操控.”臧渡洋说.
目前,臧渡洋已经实现了用此方法来测试液滴的性质,在这方面,他还有更大的计划.“我们想把它开发成一个测量仪器,它将既能实现液滴完全悬浮状态下的实验,也能节约成本.”
软物质中的相变
无论是在合金体系还是在软物质体系,相分离是一个非常普遍的现象,而且相分离的物理机制相当复杂,除了重力因素以外,第二相L2液滴的Marangoni对流、液滴的凝并与熟化、固/液界面与L2液滴的撞击与竞争等,都会影响相分离过程.为获得均匀弥散凝固组织,人们尝试利用微重力条件、快速凝固、等方法来克服该类合金的宏观相分离,取得了一定的研究进展.但截至目前,却仍然不够深入.“除了改变合金凝固的物理条件外,对合金熔体主动引入固体颗粒也是对凝固组织及其性能进行控制的方法之一,但是同样,研究的程度也不到位.”臧渡洋补充道.
为了对这个问题进行更深一步的探索,他主持了国家基金项目“微/纳米颗粒对复杂相分离体系凝固组织的调控机制”.在这个项目中,臧渡洋主要想探究两个问题,“一是纳米颗粒对界面迁移的影响过程；另一个是纳米颗粒是否会对形核过程产生影响.”而什么是形核呢？他告诉记者：“打个比方说,如果空气不干净的时候,就容易下雨.这是因为水蒸气吸附到灰尘上,易形成雨滴的缘故,而灰尘在这个过程中起到的就是诱发形核的作用.”
带着这样的目的,臧渡洋研究了S i O2纳米颗粒对水滴结冰的作用机制.通过实验,他发现水滴在超疏水表面结冰时具有多种形态变化,且这种变化可通过对液滴表面包覆不同润湿性的纳米颗粒来进行调控,实现从纵向拉长的“桃形”液滴向球形液滴再向横向膨胀的“飞碟形”液滴的转变.这种有趣的形态变化是由于纳米颗粒对水结冰具有不同的异质形核效果造成的.该研究成果以通讯形式发表于Soft Matter 上.
做个顶天立地的科研人
臧渡洋一直坚持着科研和教学并重.在教学工作中,他喜欢充当“引导者”的角色,“灌输式教育的效果并不好,相对而言让学生在学习方面发挥主观能动性,自己去学习探索才是上策.”同时,他还提倡应用物理系的本科生应多进实验室参与科研.臧渡洋的团队就接受本科学生参与实验,而且被接纳的本科生中还有不少都发表了科研论文.“在保证不耽误课程的前提下,参与实验室科研这将有助于他们学习,同时这对实验室的发展也是一种支持.”
对于研究生的教育,他则强调要让学习知识和创造知识并行,“边学习,边创造,效率才会高.”而且他告诉学生,学习要采取批判式学习和探究式学习的方式,切记死读书.
臧渡洋每天的日程都排得很满,在日常教研工作之外,他还计划筹办一次液滴物理领域的国际交流会议,并且写一本专著.目前,臧渡洋在国际上担任EMN-2015 Droplet国际会议分会主席,两个SCI期刊Soft Matter 和EPJE 的客座编辑.他经常会参与国际的学术交流,臧渡洋认为这对科研工作有两方面的推动作用：一方面,可以扩大自己的国际影响力；而另一方面,则可以找到开展国际合作的契机.“我曾和一名法国学者及一名澳大利亚学者,共同负责E P J E杂志的一期,在这个过程中,我们就达成了一些合作意向.”
因为科研工作很繁重,他对家人的陪伴并不多,“没办法,从事这个行业,就要扎在实验室里.”他很感谢妻子和老人对这个家庭的付出.当被问及未来的时候,臧渡洋告诉记者他会更加重视产学研结合,做个顶天立地的科研人,他说：“顶天就是要去探索关注科学前沿的问题,而立地就是要去关注产业,解决实际产业界的问题,我觉得我的研究应该与产业界拉近距离.”
探索论文范文结:
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