2026年2月26日

在世界各地的工業工廠中，微小的氣泡會造成大問題。氣泡會堵塞過濾器，擾亂化學反應，降低生物製造過程中的產量，甚至會導致電子設備和核電廠過熱。

麻省理工學院教授克里帕·瓦拉納西 (Kripa Varanasi) 長期致力於研究減少氣泡擾動的方法。在一項新的研究中，瓦拉納西與博士候選人伯特·范德雷特 (Bert Vandereydt) 和前博士後索拉布·納特 (Saurabh Nath) 合作，揭示了一種極具應用前景的新型除氣泡膜材料的物理原理，這種材料具有“親氣性”（希臘語意為“喜愛空氣”）。該材料可用於各種類型的系統，使用戶能夠擺脫氣泡擾動，從而優化機器性能。

「我們已經找到了這些吸引氣泡的薄膜材料的結構，使氣體能夠以最快的速度排出，」該研究的資深作者瓦拉納西說道。 「想像一下，試圖將蜂蜜擠過咖啡濾網：蜂蜜很難通過，而水可以順利通過，氣體則更容易通過。但即使是氣體，其通量也會達到極限，這取決於氣體和液體的性質。通過揭示這些極限，我們的研究可以幫助工程師為他們的系統設計出更好的膜。”

本週發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的 這篇論文中，研究人員將他們的發現提煉成一張圖表，任何人都可以通過繪製系統的一些特徵（例如氣體和周圍液體的粘度）來找到能夠實現近乎瞬時去除氣泡的最佳膜。利用這種方法，研究團隊在一種用於製藥、食品飲料製造、化妝品、化學品生產等行業的生物反應器中，實現了氣泡去除速度提高1000倍。

研究人員表示，這種防水膜可用於提高各種先進系統的吞吐量，這些系統的運作迄今一直受到氣泡的困擾。

更好的破泡機

如今，企業可謂絞盡腦汁，試圖消除泡沫。他們使用物理剪切消泡劑、化學消泡劑，甚至是超音波。然而，在生物反應器等嚴格控制的環境中，這些方法有缺陷：化學消泡劑可能對細胞有害，而機械攪拌則可能損傷脆弱的生物材料。其他一些行業也存在類似的局限性，因為在這些行業中，污染或物理擾動是不可接受的。因此，許多無法容忍化學消泡劑或機械幹預的應用，仍然受到泡沫產生的根本限制。

「生物製造在過去十年發展迅猛，」范德雷特說。 「我們利用細胞和細菌等生物系統生產的產品越來越多，反應器的處理能力也從每毫升溶液500萬個細胞提高到每毫升1億個細胞。然而，氣泡排出和消泡工藝卻未能跟上步伐——它正逐漸成為一個重要的限速步驟。”

為了更了解親氣膜和氣泡之間的相互作用，麻省理工學院的研究人員利用 MIT.nano 設施製造了一系列孔徑從 10 微米到 200 微米不等的微小多孔矽膜。他們用疏水性二氧化矽奈米顆粒塗覆了這些薄膜。

研究人員將它們放置在不同液體的表面上，釋放出不同黏度的單一氣泡，並使用高速成像技術記錄每個氣泡與膜碰撞時的相互作用。

「我們一開始嘗試研究一個非常複雜的系統，例如生物反應器中產生的泡沫，並以最簡單的形式來研究它，以了解發生了什麼，」Vandereydt 說。

起初，孔越大，氣泡消失得越快。研究人員也將氣泡氣體從空氣換成黏度只有空氣一半的氫氣，發現氣泡破裂的速度增加了一倍。

但當氣泡破裂速度加快約1000倍後，無論膜孔有多大，研究人員都遇到了瓶頸。他們遇到了另一個需要探究的物理極限。

研究人員隨後嘗試改變液體的黏度，從水改為更接近蜂蜜的液體。他們發現，只有當液體黏度是正常液體的200倍時，黏度才會對氣泡破裂的速度產生影響。進一步的實驗表明，減緩氣泡排出速度的最大因素是液體的慣性阻力。

「透過實驗，我們發現氣泡破裂速度有三個不同的極限，」范德雷特說。 「首先是低黏度、低滲透性條件下氣體的黏性極限。其次是高滲透性、高黏度條件下液體的黏性阻力。最後是液體的慣性極限。」

該團隊使用生物反應器對研究結果進行了實驗驗證，並將其繪製成圖表，工程師可以使用該圖表輸入其係統的特性，找到最適合其情況的膜以及減緩氣泡排出速度的最大因素。

氣泡的科學

這項研究對於任何試圖加速工業設備中氣泡破裂的人來說都應該很有用，但它也增進了我們對氣泡動力學物理原理的理解。

「我們已經確定了三種不同的通量極限，以及這些極限背後的物理原理，並將其簡化為非常簡單的定律，」納特解釋道。 「通量極限首先取決於表面張力和慣性。但你也可能遇到另一種極限，即孔隙極其微小，氣體難以通過。在這種情況下，氣體的粘度就顯得尤為重要。此外，你還可能遇到類似蜂蜜中原本存在的氣泡，這意味著僅僅氣體流動是不夠的，液體還填充氣泡後面的空間。無論這三種條件如何，你都會在這三種極限之間切換。」

瓦拉納西表示，醫療保健公司、化學公司甚至啤酒廠都對這項研究表示了興趣。他的團隊計劃將這種薄膜進行商業化開發，用於工業用途。

「這些物理見解使我們能夠設計出一種膜，令人驚訝的是，這種膜排出氣泡的速度甚至比自由液氣界面還要快，」Varanasi 說。

研究人員的設計圖譜還可以用於模擬自然系統，甚至液-液系統，進而用於製造能夠去除水中油污或幫助從水分解電極中高效提取氫氣的膜。最終，這項研究成果的最大受益者將是那些致力於解決氣泡問題的公司。

「氣泡雖小，卻悄悄決定著許多先進技術的性能極限，」Varanasi說。 “我們的研究成果提供了一種消除這一瓶頸的方法，並能為各行各業帶來全新的性能提升。這些膜可以輕鬆改裝到現有系統中，而且我們的框架能夠針對特定應用快速進行設計和優化。我們很高興能與業界合作，將這些發現轉化為實際應用。”

[圖片]

(A) 「我們已經弄清楚了這些吸引氣泡的膜材料的結構，使氣體能夠以最快的速度排出，」克里帕·瓦拉納西說。這張影片截圖拼貼圖顯示了一個氣泡撞擊表面膜（右上）後，在大約8毫秒內被破壞（下排）。

(B) 麻省理工學院的研究人員利用MIT.nano設施製造了一系列孔徑從10微米到200微米不等的微型多孔矽膜。他們用疏水性二氧化矽奈米顆粒塗覆了這些薄膜。

(C) 氣泡撞擊到吸引氣泡的膜時會被破壞。但當膜被移除後，氣泡就開始起泡。

資料來源：

https://news.mit.edu/2026/tackling-industrys-burdensome-bubble-problem-0226