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, 6月在国际空间站上进行的, 在没有重力的环境中形成水蒸气气泡.

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

他的目标是改造材料表面,制造更大的气泡,附着在表面上,而不是像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,他得到的既比预期的少,也比预期的多.

“我发现有趣的是,气泡确实分离了,罗在谈到从太空传回的近乎实时的视频时说. “它们确实比太阳3娱乐在地球上看到的要大. 那里没有重力,这意味着太阳3娱乐可能看到了太阳3娱乐想看到的物理现象. 其他因素之间的竞争导致了他们的分离.”

与预期, 罗说, 气泡增长缓慢,但突然分离,但仍有不同的大小.

“如果我之前的假设是正确的, 当气泡长到一定大小时就会脱落,他说. “但情况似乎并非如此,所以太阳3娱乐不知道发生了什么,太阳3娱乐需要找出原因.”

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. 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.

罗博士最终希望利用气泡来浓缩血液样本中的生物标志物,这样就可以更早地发现和治疗癌症. 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.

在科学受到攻击的时候,人们怀疑科学对从口罩到疫苗的一切建议, 罗很兴奋,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生产线上的三个不同的气泡表面.

尽管如此,罗估计他已经完成了大约70%的目标.

太阳3娱乐得到了一些有价值的信息,”罗说. “我认为这是一个好的开始. 太阳3娱乐相信,太阳3娱乐从这次尝试中学到的东西可能会让太阳3娱乐在生物检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之后, 他在太阳3找到了一份工作,并建立了一个研究分子能级能量和质量传输的实验室.

改名为 MONSTER(分子/纳米尺度传输和能量研究)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. 如果癌细胞可以在低浓度时通过气泡收集, 这种方法可以提高灵敏度,改善早期癌症的检测.

在黑暗的实验室里,两个人穿着白大褂,戴着黑色护目镜,在桌子上摆弄着激光发射器.
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 先进材料接口, 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.

太阳3娱乐建议在收集时使用这种气泡法进行集中, 例如, 血液或唾液样本,罗说. “太阳3娱乐希望将生物分子集中到一个小位置,这样太阳3娱乐就有了更高密度的这些生物标志物,这样它们就可以更容易地被检测到.”

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, 因此,气泡越大,在不分离的情况下可以维持的时间就越长, 更好的. 然后,生物标记物迅速流失到气泡底部并沉积在那里, 在哪里可以测量.

罗腾飞实验室激光形成气泡的视频.
在国际空间站的太空探戈立方实验室中气泡形成的视频.

有几个相互竞争的因素可以影响气泡的动力学: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表现.

“毛细管力将气泡固定在表面,”罗说. “但泡泡想要完成它完美的球形. 然后,在重力作用下有表面张力和浮力共同作用. 太阳3娱乐不能解耦这些力. 但在国际空间站上,太阳3娱乐可以分离它们. 这样太阳3娱乐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,气泡的意外分离需要进一步研究. 这将包括对高分辨率视频和地面实验的详细分析.

太阳3娱乐想找出支配气泡脱离的关键机制是什么,”罗说. 如果毛细力是, 这样太阳3娱乐就有机会调整表面状况, 这样泡沫就会变大, 气泡越大,太阳3娱乐的生物传感器就越敏感.”

升空进入太空

自2015年以来,罗一直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不足以支撑他的实验.

“作为太阳3的毕业生, 我希望看到巴黎太阳3在太空研究方面取得不同类型的好处, 尤其是在地球上.” 乔纳森·沃尔克

大约在同一时间,乔纳森·沃尔克(Jonathan Volk)是巴黎太阳3(巴黎太阳3)工程学院的校友 空间科学促进中心(CASIS) 来到太阳3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师.

“作为太阳3的毕业生, 我希望看到巴黎太阳3在太空研究方面取得不同类型的好处, 尤其是在地球上,沃尔克说, 他现在是一家名为Space Commerce Matters的咨询公司的商业化战略总监, 谁能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, 纳米颗粒, 也可以用于水净化.”

CASIS侧重于地面应用的空间研究, 而更为知名的美国宇航局则专注于影响太空的研究和探索. Volk举了几个CASIS过去项目的例子:宝洁公司提高清洁产品的保质期, Delta研究滴剂配方,以减少淋浴用水, 固特异(Goodyear)尝试用二氧化硅制造更环保的轮胎.

罗从CASIS获得了资助,并于2018年开始了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. 为了实验, 他需要一种设备,可以制造一个水泡,并记录气泡行为的视觉效果和读数,而不需要使用激光或生物分子,否则成本会更高,而且会产生安全隐患.

一名宇航员在国际空间站上打开太空探戈立方体实验室的电源.

ND实验结束后,一名宇航员在拆除立方体实验室前竖起大拇指.

太阳3娱乐正在做基础研究,”罗说. “太阳3娱乐设计实验, 但需要有人把这个想法转化成全自动的, flight-ready装置.”

罗说,第一个实施合作伙伴已经完成了项目的一半,并表示还需要100万美元才能完成. 所以他找了个新搭档 空间探戈这是为了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.

实验被安置在一个小立方体里, 被称为CubeLab, 它配备了四个流体舱, 加热表面的热能力, 还有四种不同的铜表面,不同尺度的结构, 或者工程表面, 从100纳米到几微米不等.

太阳3娱乐认为可能有一种结构尺寸可以提供最佳的固定力,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. 立方体正面有工程学院的字母贴纸.
立方体内部装有四个流体隔室, 加热表面的热能力, 还有四种不同的铜表面,不同尺度的结构, 或者工程表面.
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间. 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, 由于相机故障,它无法移动到其他三个基片上录制视频,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加热功率值, 此外,高分辨率视频的第一个位置具有最小的纳米结构表面.

太阳3娱乐将在未来两周深入研究这些视频,看看太阳3娱乐能发现什么有趣的东西,罗在8月说. “太阳3娱乐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.”

罗并没有被吓倒. 他说,这次经历是独一无二的,结果也很有趣. 他明白,为了拓展人类知识的边界,科学实验本身就包含着风险. 太空探戈计划再次向国际空间站发射立方体实验室. 与此同时,罗可能会在地球上设计一个变通方案.

太阳3娱乐可以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,太阳3娱乐使用这些模型来预测太阳3娱乐无法捕捉到的其他表面会发生什么.”