研究

空间的泡沫

国际空间站的实验旨在提高癌症的检测

罗腾飞 对科学实验中会发生什么有一些假设吗, 今年6月在国际空间站上进行了一次飞行, 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拍肖像.
罗滕飞教授在他的实验室在菲茨帕特里克大厅.

他的目标是设计材料表面,使其形成更大的气泡,能够粘在表面上,而不是像在地球上那样变得浮力更大、更分离. 在他的第一次超越这个世界的经历中,他得到的既少又多.

“我发现有趣的是,气泡确实分离了,在谈到从太空传回的近乎实时的视频时,罗说. “它们确实长得比澳门十大娱乐网站在地球上看到的还要大. 那里没有重力,这意味着澳门十大娱乐网站可能看到了澳门十大娱乐网站想看到的物理现象. 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,但突然同时分离,但大小仍然不同.

“如果我之前的假设是正确的, 当气泡长大到一定大小时,它们就会分离,”他说. “但事实似乎并非如此,所以澳门十大娱乐网站不知道发生了什么,澳门十大娱乐网站需要找出真相.”

2021年6月3日,SpaceX公司的猎鹰9号火箭从卡纳维拉尔角发射升空. 两天后,它与国际空间站连接,宇航员在第二天插入实验. 大约一个月后,它在另一次补给飞行中返回地球.

SpaceX猎鹰9号火箭发射现场直播的截图.

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.

罗最终希望利用气泡来集中血液样本中的生物标记物,这样癌症就可以更早地被发现和治疗. 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相互竞争的物理力量.

在这个科学受到质疑的时代,从口罩到疫苗,科学的建议无所不有, 罗很高兴他的实验没有达到他的预期.

相反,它打开了新的探究之门.

除了意想不到的结果外,实验中还有一个小故障. 里面的摄像头是全自动的, 自装实验箱在采集了第一个气泡的视频后,未能沿线向下移动到三个不同的气泡表面.

尽管如此,罗估计他还是完成了70%的目标.

“澳门十大娱乐网站得到了一些有价值的信息,”罗说. “我认为这是一个好的开始. 澳门十大娱乐网站相信,澳门十大娱乐网站从这次尝试中学到的东西可能会引导澳门十大娱乐网站在生物探测方面设计出更好的东西.”

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. 在麻省理工学院做博士后, 他在澳门十大娱乐网站找到了一份工作,并成立了一个研究分子水平能量和物质传输的实验室.

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的疾病的诊断能力, 包括某些癌症, 通过更好地理解泡沫是如何形成的, 从具有不同纳米尺度特征的固体表面生长和分离. 如果癌细胞在低浓度时能通过气泡收集, 从而提高了检测的灵敏度,提高了早期癌症的检测水平.

在一间昏暗的实验室里,两个人穿着实验服,戴着黑色的护目镜,在桌子上用激光枪工作.
罗腾飞教授和张秋实研究生在实验室工作.

在2020年发表的一项研究 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,它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.

“澳门十大娱乐网站提议在收集时使用这种气泡方法来集中注意力, 例如, 血样血样或唾液样本,”罗说. “澳门十大娱乐网站希望将生物分子集中在一个小的位置,这样澳门十大娱乐网站就有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以一种被称为马朗戈尼流的现象传输到气泡表面, 因此,气泡越大,它可以保持的时间就越长, 更好的. 然后,这些生物标记物迅速流到气泡底部并沉积在那里, 在哪里可以测量它们.

罗腾飞实验室激光成型气泡的视频.
在国际空间站的太空探戈立方实验室中形成气泡的视频.

有几个相互竞争的因素会影响气泡动力学: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失重情况下的行为.

“毛细管力把气泡钉在表面上,”罗说. “但是泡泡想要完成它完美的球形. 然后,在重力作用下,表面张力和浮力一起作用. 澳门十大娱乐网站不能解耦这些力. 但在国际空间站上,澳门十大娱乐网站可以将它们解耦. 然后澳门十大娱乐网站可以更好地理解这些不同因素是如何影响气泡动力学的.”

他说,在国际空间站的实验中,他的气泡出人意料地脱离,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:“澳门十大娱乐网站想找出主导气泡分离的关键机制。. "如果毛细管力, 那澳门十大娱乐网站就有机会调整地表状况了, 这样泡沫就会变大, 气泡越大,澳门十大娱乐网站的生物传感器就越敏感.”

发射到太空

罗从2015年开始就在国际空间站上进行这项实验. 他的团队意识到,人工创造的零重力空间无法维持足够长的时间来进行实验.

“作为一名澳门十大娱乐网站的毕业生, 我希望看到巴黎澳门十大娱乐网站在太空研究方面真正取得进步, 尤其是在地球上.” 乔纳森·沃尔克

大约在同一时间,澳门十大娱乐网站工程毕业生乔纳森·沃尔克(Jonathan Volk)在 空间科学促进中心 来到澳门十大娱乐网站促进国际空间站的科学工作. 沃尔克安排了一次与前院长彼得·基尔帕特里克的会面 马克McCready,时任主席 化学与生物分子工程,以及几位感兴趣的教员.

“作为一名澳门十大娱乐网站的毕业生, 我希望看到巴黎澳门十大娱乐网站在太空研究方面真正取得进步, 尤其是在地球上,”人民说, 他现在是一家名为“太空商业事务”的咨询公司的商业化战略主管, 哪一个促进太空科学和商业化. 腾飞想要提出的实验在医疗保健方面有很大的地面应用, 观察纳米粒子, 也用于水的净化.”

CASIS的重点是空间研究与地面应用, 而更知名的美国国家航空航天局则专注于对太空的研究和探索. 沃尔克列举了几个过去CASIS项目的例子:宝洁公司(Proctor and Gamble)提高了清洁产品的保质期, 德尔塔公司正在研发一种能减少淋浴用水的液滴配方, 固特异在二氧化硅中进行试验,使轮胎更环保.

雒海超获得了中国科学技术研究院的资助,并于2018年开始国际空间站项目的工作, 但遇到了一些延误, 包括因COVID-19大流行而推迟. 的实验, 他需要一种设备,可以创造一个水泡,并记录视觉和读取气泡的行为,而不使用激光或生物分子——这将花费更多,并造成安全隐患.

一名宇航员为国际空间站的太空探戈立方实验室打开电源.

ND实验结束后,宇航员在移除CubeLab之前竖起了大拇指.

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

罗说,第一个执行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 空间探戈该实验室可以插入国际空间站的一个插槽中,并自行运行. 空间探戈专门设计和建造用于太空的自动化硬件.

实验在一个小立方体中进行, 被称为CubeLab, 哪一种有四个液舱, 加热表面的热能力, 四种不同的铜质表面有着不同尺度的结构, 或工程表面, 从100纳米到几微米.

“澳门十大娱乐网站认为,可能存在一种结构大小,可以提供最佳的钉住力,以增长更大的, 更稳定的泡沫,”他说.

一个穿着白大褂的人拿着一个立方体. 立方体正面有工程学院的字母组合贴纸.
立方体的内部配备了四个流体隔间, 加热表面的热能力, 四种不同的铜质表面有着不同尺度的结构, 或工程表面.
空间探戈的工程师建造了CubeLab来运行罗腾飞的实验. 自动化的CubeLab包含四个具有不同工程表面的流体隔间. 照片由空间探戈提供.

CubeLab在每个基质上的实验只花了几分钟, 但他们必须重复几次, 每一次气泡加热之间都有几个小时的冷却时间. 总运行时间约为三周. 不幸的是, 由于相机故障,它无法移动到其他三个基片上录制视频. 罗和他的团队确实收到了温度和压力读数以及加热功率值, 除了高清视频的第一个位置与最小的纳米结构表面.

“澳门十大娱乐网站将在未来两周对这些视频进行深入研究,看看澳门十大娱乐网站能找到什么有趣的东西,罗在八月份说道. “澳门十大娱乐网站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,这种经历是独特的,结果也很有趣. 他明白,为了突破人类知识的边界,科学实验必然包含风险. 空间探戈表示,它计划再次将CubeLab送到国际空间站. 与此同时,罗可能会在地球上设计一个解决方案.

“澳门十大娱乐网站可能会在一定的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,澳门十大娱乐网站使用这些模型来预测澳门十大娱乐网站无法捕捉到的其他表面会发生什么.”