超音波驅動下壁面附著氣泡的形狀模式與射流形成

核心概念

本文研究了超音波驅動下壁面附著氣泡的形狀模式和射流形成，揭示了法拉第不穩定性在其中的關鍵作用，並通過實驗和數值模擬對其進行了深入分析。

摘要

研究背景

了解基板上氣泡在超音波激發下的行為對於從工業清潔到生物醫學治療的應用至關重要。
先前研究表明，超音波會誘發微氣泡中的形狀不穩定性，產生能夠刺穿細胞並實現靶向藥物遞送的週期性射流 (Cattaneo et al. 2024)。
研究方法

本研究通過實驗研究了靜止在剛性基板上單個超音波驅動的微米級空氣氣泡的簡化案例，以更深入地研究聲學驅動氣泡形狀不穩定性的物理機制。
採用了一種新穎的雙視圖成像設置，該設置結合了可見光頂視圖和相襯 X 射線側視圖，以捕獲同時高速、高放大倍率的記錄，從而揭示氣泡形狀的動態演變。
主要發現

隨著時間的推移，氣泡響應演變分為四個不同的連續狀態：純球形振盪、諧波軸對稱彎月面波的開始、更高振幅半諧波軸對稱形狀模式的出現，以及半諧波扇形形狀模式的疊加。
半諧波形狀模式的出現源於法拉第不穩定性的觸發。
實驗測量的法拉第不穩定性開始的超聲波壓力閾值與經典界面穩定性理論的預測非常吻合，該理論經過調整以考慮剛性基板的影響。
使用三維邊界元方法模擬了氣泡形狀的時間演變，發現與實驗結果非常吻合，並支持該方法預測超聲波驅動的壁面附著氣泡動力學的有效性。
所得形狀模式譜似乎是簡併的，並表現出連續範圍的形狀模式度數，這與我們從運動學論證得出的理論預測一致。
與體積模式相比，形狀模式的振幅要高得多，這使得它們在將聲能轉換為動能並將其集中在其特徵波瓣內更有效。
當波瓣以超過定義閾值的加速度向內折疊時，它會產生指向基板的射流。
該過程在形狀模式的每個週期中重複出現，並且有可能損壞基板。
這些射流代表了一種新型的氣泡射流，不同於在氣泡坍塌過程中在高壓梯度下形成的經典單慣性射流，因為它們是循環的，由界面不穩定性驅動，並且發生在低得多的聲強下。

統計資料

氣泡平衡半徑範圍：𝑅0 = 60 −140 µm
超聲波驅動頻率：𝑓d = 30 kHz
超聲波壓力振幅範圍：𝑝a = 1 −15 kPa
X射線束能量：17.9 keV
水層厚度：𝑑= 10 mm
X射線信號透過率：𝑇= 0.4
成像幀率：150 kHz
成像視野：640 × 400 µm
成像像素分辨率：1.6 µm

從以下內容提煉的關鍵洞見

Shape modes and jet formation on ultrasound-driven wall-attached bubbles

by Marc... 於 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.12371.pdf

深入探究

除了法拉第不穩定性之外，還有哪些其他因素會影響壁面附著氣泡的形狀模式和射流形成？

除了法拉第不穩定性，還有許多因素會影響壁面附著氣泡的形狀模式和射流形成，主要可分為以下幾類：
1. 氣泡特性：

氣泡大小： 氣泡半徑是決定其共振頻率和對聲場響應的關鍵因素。小氣泡的共振頻率較高，更容易被高頻聲波激發，而大氣泡則對低頻聲波更敏感。
氣體種類： 氣泡內部氣體的種類會影響其可壓縮性和聲學特性，進而影響氣泡的振盪行為和射流形成。
表面活性劑： 若液體中存在表面活性劑，會在氣泡表面形成一層薄膜，影響其表面張力、粘度和氣體滲透性，進而改變氣泡的振盪模式和穩定性。
2. 液體特性：

液體粘度： 液體粘度越高，對氣泡振盪的阻尼作用越強，會抑制形狀模式的發展和射流形成。
液體表面張力： 表面張力是維持氣泡形狀的主要力量，較高的表面張力有利於維持氣泡的球形，而較低的表面張力則更容易產生形狀不穩定性和射流。
液體密度： 液體密度會影響氣泡的慣性力和聲波在其中的傳播速度，進而影響氣泡的振盪行為。
3. 壁面特性：

壁面材料： 壁面的親疏水性、粗糙度和聲學特性都會影響氣泡的接觸角、滑移速度和聲波反射，進而影響氣泡的形狀模式和射流方向。
壁面幾何形狀： 壁面的曲率、凹凸和邊界條件都會影響氣泡的形狀約束和聲場分佈，進而影響氣泡的振盪模式和射流形成。
4. 聲場特性：

聲波頻率： 聲波頻率是決定氣泡形狀模式的主要因素之一，不同頻率的聲波會激發不同階數的形狀模式。
聲壓幅值： 聲壓幅值決定了聲場的能量輸入，較高的聲壓幅值會導致更劇烈的氣泡振盪和更容易產生射流。
聲場分佈： 聲場的空間分佈會影響氣泡受到的聲輻射力和形狀約束，進而影響氣泡的振盪模式和射流方向。

該研究主要關注單個氣泡的行為，那麼在多個氣泡相互作用的情況下，這些現象會如何變化？

當多個氣泡在壁面附近相互作用時，情況會變得更加複雜，主要體現在以下幾個方面：

氣泡間的相互作用： 多個氣泡會通過聲場和流場相互耦合，導致其振盪行為和射流形成與單個氣泡的情況有很大差異。例如，氣泡之間可能會發生吸引、排斥、聚并或分裂等現象，進而影響其形狀模式和射流方向。
聲場的改變： 多個氣泡的存在會改變聲場的空間分佈，導致聲輻射力和聲壓分佈不均勻，進而影響氣泡的振盪模式和射流形成。
流場的改變： 多個氣泡的振盪和射流會產生複雜的流場，影響周圍氣泡的運動和形狀變化。
總體而言，多個氣泡的相互作用會導致系統呈現出更豐富的非線性動力學行為，難以用簡單的模型進行預測。需要發展更精確的數值模擬方法或實驗技術來研究多個氣泡的動力學行為。

如果將該研究的發現應用於生物醫學領域，例如超聲波靶向藥物遞送，那麼如何確保射流的精確控制和安全性？

將壁面附著氣泡的射流現象應用於生物醫學領域，例如超聲波靶向藥物遞送，需要克服以下挑戰：

射流的精確控制： 需要精確控制射流的方向、強度和持續時間，才能將藥物準確地遞送到目標區域，避免損傷周圍的健康組織。
射流的安全性： 需要確保射流的強度和能量密度在安全範圍內，避免對細胞和組織造成機械損傷或熱效應。
以下是一些可能的解決方案：

使用微氣泡： 使用微米級別的氣泡可以減小射流的強度和作用範圍，提高靶向性和安全性。
調整聲場參數： 通過調整聲波的頻率、聲壓幅值、脈衝寬度和聲束形狀等參數，可以精確控制氣泡的振盪模式和射流方向。
結合影像導航： 利用超聲成像或其他影像技術實時監測氣泡的位置和運動，並根據影像反饋調整聲場參數，實現射流的精確控制。
開發新型氣泡材料： 開發具有特定聲學特性和生物相容性的氣泡材料，例如包覆藥物的脂質體，可以提高靶向性和安全性。
總之，將壁面附著氣泡的射流現象應用於生物醫學領域需要多學科的交叉研究，包括聲學、流體力學、材料科學和生物醫學工程等。通過不斷的技術創新和優化，有望實現安全、高效的超聲波靶向藥物遞送。