研究

空间的泡沫

国际空间站的实验旨在提高癌症检测

罗腾飞 在他的科学实验中会发生什么, 今年6月在国际空间站进行的, 在没有重力的环境中形成水蒸气气泡.

一名男子在一个装满实验室玻璃器皿和设备的玻璃空间前摆姿势留影.
罗腾飞教授在菲茨帕特里克大厅的实验室里.

他的目标是设计材料表面,制造更大的附着在表面的气泡,而不是像在地球上那样漂浮和分离. 在他的第一次超越这个世界的经历中,他得到的东西比他预期的多或少.

“我发现有趣的是,气泡确实分离了,罗说的是从太空传回的近乎实时的视频. “它们确实比澳门十大娱乐网址大全在地球上看到的要大. 那里没有重力,这意味着澳门十大娱乐网址大全可能会看到澳门十大娱乐网址大全想看到的物理现象. 导致他们分离的其他因素之间存在竞争.”

与预期, 罗说, 这些气泡生长缓慢,但在大小不一的情况下突然立即分离.

“如果我之前的假设是正确的, 当气泡长大到一定大小时就会脱落,”他说. “但事实似乎并非如此,所以澳门十大娱乐网址大全不知道发生了什么,澳门十大娱乐网址大全需要找出原因.”

2021年6月3日,SpaceX猎鹰9号火箭从卡纳维拉尔角发射. 两天后,它与国际空间站连接,宇航员在第二天将实验装置插入. 大约一个月后,它在另一次补给飞行中返回了地球.

SpaceX猎鹰9号火箭发射时的直播截图.

2021年6月3日:SpaceX猎鹰9号火箭 & 货运龙飞船向国际空间站发射研究和补给.

罗最终希望用气泡浓缩血液样本中的生物标记物,这样就可以更早地发现癌症并进行治疗. 为了到达那里,教授在 航空航天与机械工程系 需要更好地理解气泡动力学中所涉及的相互竞争的物理力.

在这个科学受到攻击的时代,人们怀疑科学对从口罩到疫苗的一切建议, 罗很高兴他的实验没有达到他的预期.

相反,它打开了新的探索之门.

除了意想不到的结果之外,实验中还有一个小故障. 里面的摄像头是全自动的, 在捕捉到第一个气泡的视频后,独立的实验箱未能移动到三条不同的气泡吹出的表面.

尽管如此,罗估计他已经完成了70%的目标.

澳门十大娱乐网址大全得到了一些有价值的信息,”罗说. “我认为这是一个好的开始. 澳门十大娱乐网址大全确实相信澳门十大娱乐网址大全从尝试中学到的东西可以潜在地引导澳门十大娱乐网址大全设计更好的生物检测.”

竞争的力量

罗出生在中国,2005年来到美国,在密歇根州立大学获得博士学位. 在麻省理工学院博士后工作后, 他在澳门十大娱乐网站找到了一份工作,并建立了一个实验室,研究分子水平的能量和质量传输.

改名为 分子/纳米尺度传输与能量研究实验室 in 2019, 罗的团队希望提高对危及生命疾病的诊断能力, 包括某些癌症, 通过更好地理解气泡的形成, 从具有不同纳米级特征的固体表面生长和分离. 如果癌细胞可以通过气泡在低浓度时收集, 该方法可以提高灵敏度,提高早期癌症的检测.

在黑暗的实验室里,两名穿着白大褂、戴着黑色护目镜的人在桌子上用激光设备工作.
罗腾飞教授和研究生张秋实在他的实验室工作.

在2020年发表于 先进材料界面, 罗成功地利用激光加热在含有生物分子的溶液中产生气泡. 研究人员发现,他们可以将这些生物分子吸引到气泡上,并将它们沉积在气泡表面, 创造了一个“高度集中的岛屿”.美国国家科学基金会为生物传感研究提供了资金.

澳门十大娱乐网址大全建议在收集时使用这种气泡法来集中精力, 例如, 血液或唾液样本,”罗说. “澳门十大娱乐网址大全希望将生物分子集中到一个小的位置,这样澳门十大娱乐网址大全就有了更高密度的生物标记物,从而更容易检测到它们.”

生物标记物需要一段时间才能运输到气泡表面,这种现象被称为马兰戈尼流, 所以气泡越大,就能保持越久而不脱落, 更好的. 然后,生物标记物迅速排到气泡底部并沉积在那里, 在哪里可以测量它们.

罗腾飞校园实验室激光形成气泡的视频.
国际空间站上的太空探戈CubeLab中气泡形成的视频.

几个相互竞争的因素可以影响气泡动力学:重力, which affects the buoyancy of a bubble; capillary force, which is at the interface of the bubble and a solid surface; and the minimization of surface tension due to the bubble trying to be spherical in the liquid. 罗在国际空间站上的实验测试了气泡在没有重力的情况下的行为.

“毛细管力将气泡固定在表面,”罗说. “但气泡想要完成它完美的球形. 在重力作用下,表面张力和浮力共同作用. 澳门十大娱乐网址大全不能把这些力分离开来. 但在国际空间站上,澳门十大娱乐网址大全可以将它们分离开来. 这样澳门十大娱乐网址大全就可以更好地理解气泡动力学是如何受到这些不同因素的影响的.”

他说,在国际空间站的实验中,他的气泡出乎意料地脱离了,这需要进一步的研究. 这将包括对高分辨率视频和地面实验的详细分析.

罗说:“澳门十大娱乐网址大全想找出支配气泡脱离的关键机制是什么。. 如果毛细管力是, 这样澳门十大娱乐网址大全就有机会调整地表条件, 这样泡泡就会变大, 气泡越大,澳门十大娱乐网址大全的生物传感器就越敏感.”

发射到太空

自2015年以来,罗永浩一直致力于国际空间站上的实验. 他的团队意识到,可以人工创造的零重力空间不会持续足够长的时间进行他的实验.

“作为澳门十大娱乐网站的毕业生, 我想看到巴黎澳门十大娱乐网站大学在空间研究方面真正向前发展,获得不同类型的利益, 尤其是在地球上.” 乔纳森·沃尔克

与此同时,乔纳森·沃尔克,澳门十大娱乐网站工程学校友在 空间科学促进中心(CASIS) 来到巴黎澳门十大娱乐网站,促进国际空间站的科学工作. 沃尔克安排了和前院长彼得·基尔帕特里克的会面 马克McCready,时任 化学和生物分子工程,以及几位感兴趣的教员.

“作为澳门十大娱乐网站的毕业生, 我想看到巴黎澳门十大娱乐网站大学在空间研究方面真正向前发展,获得不同类型的利益, 尤其是在地球上,”人民说, 他现在是一家名为Space Commerce Matters的咨询公司的商业化战略总监, 哪个促进了太空科学和商业化. “腾飞想要提出的实验在医疗保健方面有很大的地面应用价值, 观察纳米粒子, 也用于水的净化.”

CASIS专注于地面应用的空间研究, 而更知名的NASA则专注于影响太空的研究和探索. 沃尔克举了几个CASIS过去项目的例子:宝洁公司(Proctor and Gamble)提高清洁产品的保质期, 三角洲研究雾滴配方,以减少淋浴用水, 固特异(Goodyear)试验用二氧化硅制造更环保的轮胎.

罗获中国国际空间站资助,并于2018年开始从事国际空间站项目, 但遇到了一些延误, 包括由于COVID-19大流行而推迟. 的实验, 他需要一种可以制造气泡并记录气泡行为的视觉效果和读数的设备,而不需要使用激光或生物分子——这将花费更多,并产生安全隐患.

一名宇航员在国际空间站为太空探戈立方体实验室打开电源.

ND实验结束后,一名宇航员在拆除CubeLab前竖起大拇指.

澳门十大娱乐网址大全正在做基础研究,”罗说. “澳门十大娱乐网址大全设计了这个实验, 但需要有人把这个想法转化成全自动的, flight-ready装置.”

罗说,第一个实施伙伴已经完成了项目的一半,还需要100万美元才能完成. 所以他找了个新搭档 空间探戈建造一个容器实验室,可以插入国际空间站的插槽中,并自行运行. 空间探戈专门设计和制造用于太空的自动化硬件.

这个实验被安置在一个小立方体里, 叫做CubeLab, 有四个液体舱吗, 加热表面的热能力, 还有四种不同的铜表面,不同的结构尺度, 或工程表面, 从100纳米到几微米不等.

澳门十大娱乐网址大全认为,可能存在一种结构大小,可以提供最佳的钉住力,以生长更大的, 更稳定的泡沫,”他说.

一个穿着白大褂的人拿着一个立方体. 立方体正面印有工程学院的字母组合贴纸.
立方体的内部装有四个流体隔间, 加热表面的热能力, 还有四种不同的铜表面,不同的结构尺度, 或工程表面.
“太空探戈”的工程师们建造了立方体实验室来进行罗腾飞的实验. 自动化的CubeLab包含四个具有不同工程表面的流体隔室. 图片由空间探戈提供.

CubeLab在每个基底上的实验只花了几分钟, 但他们不得不重复几次, 每个气泡加热之间有几个小时的冷却时间. 总运行时间约为三周. 不幸的是, 摄像机故障使它无法移动到其他三个基板上记录视频,以便进行比较. 罗和他的团队确实收到了温度和压力读数以及热功率值, 除了高分辨率视频外,第一个位置具有最小的纳米结构表面.

澳门十大娱乐网址大全将在未来两周深入研究这些视频,看看澳门十大娱乐网址大全能发现什么有趣的东西,罗在8月说. “澳门十大娱乐网址大全从一个表面获得的数据已经可以阐明重力对气泡动力学的重要性.”

罗并没有阻止. 他说,这种经历是独一无二的,结果也很有趣. 他明白,科学实验本身就包含着风险,目的是为了推动人类知识的边界. “太空探戈”计划再次将CubeLab送往国际空间站. 与此同时,罗可能会在地球上想出一个变通办法.

澳门十大娱乐网址大全有可能在某些假设下开发一些计算模型,并使用国际空间站的实验结果来验证这些模型,”罗说. “然后,澳门十大娱乐网址大全使用这些模型来预测澳门十大娱乐网址大全无法捕捉到的其他表面会发生什么.”