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本科生科研指南(72):从枪虾捕食到超声造影技术 精选

已有 3634 次阅读 2021-1-22 07:00 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得

 

本科生科研指南(72):从枪虾捕食到超声造影技术

 

张宇宁、张湘晴

华北电力大学能源动力与机械工程学院

 

科学是内在的整体,它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身,而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着从物理到化学,从生物学和人类学到社会学的连续的链条,这是任何一处都不能被打断的链条。

----马克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858-1947)

 

为了更好地应对并解决复杂问题,学科交叉一直是近年来科学界的热门话题,值得本科生关注。简而言之,学科交叉将不同学科的优势有效地结合起来共同解决重要科学难题,从而促进相关学科的进一步发展。超声造影技术便是学科交叉的典型案例之一,其通过将流体力学材料学医学进行有机结合,从而实现对器官病变的精确诊断,本文以此为例介绍学科交叉带来的科研创新和学科发展。

首先以枪虾捕食为例介绍超声造影技术中所涉及的流体力学知识。枪虾是一种海洋动物,身长约5.5厘米,拥有一对一大一小的螯,较大的螯可长达2.8厘米。科研工作者们对枪虾的捕食过程进行了细致的研究,发现了枪虾非常有趣的捕食方式。在捕食时,枪虾将巨螯快速闭合,闭合处会喷射出一道速度高达32 m/s的水流,高速的水流使得局部产生低压区,从而促进了许多“小气泡”的产生。在水压恢复正常后,这些“小气泡”迅速发生破裂,并伴随有高达210分贝的巨大爆炸声。枪虾便利用高速水流以及“小气泡”破裂过程中产生的冲击力击晕或杀死猎物,完成捕食。由于其在捕食过程中伴有如开枪一般的巨大声响,因而被称之为枪虾。

 

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图一 枪虾

 

上述枪虾的捕食过程便是对“空化”这一物理现象的运用。在流体力学中,空化现象是指水等液体局部压力降低时,其内部或固液交界面处蒸汽泡气泡的产生、长大及破裂消失的现象,空化现象中出现的蒸汽泡或汽泡被称为空化泡。在流体机械领域中,空化泡的破坏作用常常造成水泵等的效率降低。实际上,这种破坏作用也可以用于材料表面的污垢清洗。在生活中,眼镜店中的超声波眼镜清洗仪便是空化泡清洗作用的应用之一。在眼镜清洗过程中,超声波带动液体振动,使得液体内局部压力降低,产生许多气泡,在眼镜附近长大和破裂并产生冲击力移除眼镜表面污垢实现清洗。

 

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图二 空化泡对流体机械的破坏作用

 

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图三 超声波清洗眼镜示意图

 

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图四 空化泡的膜清洗作用实验图[1]

 

超声成像技术是日常医学检查的重要手段之一。在超声成像过程中,医生通过超声波对心脏或脾肾等目标部位外加超声波。超声成像利用了超声波在人体内传播过程中,各类组织和表面(血管壁等)对超声波的反射特性强度均不相同,并基于此形成诊断图像

气泡对超声波具有极强的反射特性。例如,与同样大小的金属球相比,气泡在超声波下的反射强度高达金属球的1000倍以上。基于上述原理,超声造影技术应运而生,通过在人体中注入一种人造的特殊气泡(超声造影剂)的方式加强血管和组织之间的对比,有效地提升了毛细血管等特殊部位的成像效果,提高了超声造影的诊断质量准确性。超声造影剂是由一层薄膜包裹的气泡,其半径大概在几个微米左右。超声造影剂外膜多由蛋白质磷脂等材料制成,这些材料回弹效果较好且不容易破裂,提高了超声造影剂对超声波的反射效果并延长了气泡在人体内稳定存在的时间。超声造影剂中的气体一般为惰性气体六氟化硫等性质稳定性较高且不易溶于血液的气体,这些气体对人体无毒无害,在气泡破裂后可以随着人体代谢排出。

 

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图五 超声造影剂示意图

 

正如上述气泡的例子所呈现的学科发展与进步,交叉学科是未来重要的学科增长点之一,关系到诸多优秀本科生的未来职业发展。在国家层面,近年来,交叉学科的发展尤其受到关注和重视。例如,20211月,国务院学位委员会和教育部印发通知在原有13个学科门类的基础上新设置“交叉学科”门类,并将“集成电路科学与工程”和“国家安全学”作为下设一级学科。上述政策不但很大程度上会提升各个高校在交叉学科领域开展人才培养的积极性,而且会在未来创造很多的就业需求。本科生若能充分地理解和利用好交叉学科的优势可为未来的个人发展带来另一番天地,尤其是对于那些有志于从事科研工作的同学。林家翘先生是享誉世界的华人科学家,也是交叉学科领域的成功典范。他在20世纪40年代主要开展流体力学湍流理论方面的探索,20世纪60年代则进入天体物理研究领域并首创了星系螺旋结构的密度波理论,2002年以后86岁高龄时在清华大学主导成立周培源应用数学研究中心并开展理论生物学中的“蛋白质折叠动力学”研究。这些大师的交叉学科经历对于本科生的成长是很有借鉴意义的。

 

参考文献

[1]裘勖. 壁面及膜附近空化泡动力学行为的可视化实验研究及膜清洗机制探讨[硕士论文].华北电力大学,2020.




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