今年6月，罗腾飞在国际空间站上进行了一项科学实验，在没有重力的环境下形成水蒸气气泡，他对实验结果有一些假设。

他的目标是设计材料表面，使其产生更大的气泡，这些气泡可以附着在表面，而不是像在地球上那样变得浮起并分离。在他第一次“超越这个世界”的经历中，他得到的比他预期的少，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。“它们确实比我们在地球上看到的要大。那里没有重力，这意味着我们可能会看到我们想看到的物理现象。其他因素之间的竞争导致他们分离。”

与预期相反，罗说，气泡增长缓慢，但突然分离，同时仍有不同的大小。

他说：“如果我之前的假设是正确的，那么当气泡增长到一定大小时，它们就会分离。”“但事实似乎并非如此，所以我们不知道发生了什么，我们需要找到答案。”

2021年6月3日，SpaceX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了实验。大约一个月后，它在另一次补给飞行中返回地球。

罗最终希望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。为了实现这一目标，这位圣母大学航空航天与机械工程系的教授需要更好地理解气泡动力学中涉及的相互竞争的物理力量。

当科学受到人们的攻击，人们对从口罩到疫苗的一切建议都持怀疑态度时，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。在捕捉到第一个气泡表面的视频后，全自动、独立的实验箱内的摄像机未能移动到三个不同的气泡表面。

尽管如此，罗估计他完成了大约70%的目标。

“我们得到了一些有价值的信息，”罗说。“我认为这是一个良好的开端。我们相信，我们从这次尝试中学到的东西可能会引导我们在生物检测领域设计出更好的东西。”

竞争的力量

罗出生于中国，2005年来到美国，在密歇根州立大学获得博士学位。在麻省理工学院完成博士后工作后，他在圣母大学找到了一份工作，并建立了一个实验室，九博体育研究分子水平的能量和质量传输。

罗的团队于2019年更名为MONSTER（分子/纳米尺度运输和能源九博体育研究）实验室，希望通过更好地了解气泡如何从具有不同纳米尺度特征的固体表面形成、生长和分离，提高对包括某些癌症在内的危及生命的疾病的诊断能力。如果癌细胞可以在低浓度时通过气泡收集，那么这种方法可以提高灵敏度并改善早期癌症检测。

在2020年发表在《先进材料界面》上的一项九博体育研究中，罗成功地使用激光加热在含有生物分子的溶液中产生气泡。九博体育研究人员发现，他们可以将这些生物分子吸引到气泡中，并将它们沉积在表面，形成一个“高度集中的岛屿”。美国国家科学基金会为生物传感九博体育研究提供资金。

罗教授说：“我们建议在采集血液或唾液样本时使用这种气泡法进行浓缩。”“我们希望将生物分子集中在一个小的位置，这样我们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。”

在一种叫做马兰戈尼流（Marangoni flow）的现象中，生物标记物需要一些时间才能运输到气泡表面，所以气泡越大，保持不脱落的时间越长越好。然后，生物标记物迅速流失到气泡的底部，并沉积在那里，在那里它们可以被测量。

有几个相互竞争的因素会影响气泡动力学：重力影响气泡的浮力；毛细管力，这是在气泡和固体表面的界面；表面张力的最小化由于气泡试图在液体中变成球形。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。“但是气泡想要完成它完美的球形。然后，在重力作用下，表面张力和浮力共同作用。我们不能将这些力解耦。但在国际空间站上，我们可以将它们分离。然后我们可以更好地了解这些不同因素是如何影响气泡动力学的。”

罗说，他在国际空间站实验中意外分离的气泡需要进一步九博体育研究。这将包括对高分辨率视频和地面实验的详细分析。

“我们想找出什么是主导气泡分离的关键机制，”罗说。“如果毛细管力是唯一因素，那么我们就有机会调整表面条件，这样气泡就可以变得更大，气泡越大，我们的生物传感器就越敏感。”

发射进入太空

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会持续足够长的时间来进行他的实验。

“作为一名圣母大学毕业生，我希望看到圣母大学在太空九博体育研究方面取得真正的进展，以获得不同类型的利益，尤其是回到地球上。——乔纳森·沃尔克

大约在同一时间，在太空科学促进中心（CASIS）工作的圣母大学工程校友乔纳森·沃尔克（Jonathan Volk）来到圣母大学，促进国际空间站的科学工作。沃尔克与前院长彼得·基尔帕特里克、时任化学与生物分子工程系主任的马克·麦克格雷迪以及几位感兴趣的教员安排了一次会议。

沃尔克说：“作为圣母大学的毕业生，我希望看到圣母大学在太空九博体育研究方面真正取得进展，以获得不同类型的利益，尤其是回到地球上。”沃尔克现在是一家名为太空商业事务（space Commerce Matters）的咨询公司的商业化战略主管，该公司致力于促进太空科学和商业化。“腾飞想要提出的实验在医疗保健、纳米粒子和水净化方面有很好的地面应用。”

CASIS侧重于地面应用的空间九博体育研究，而更知名的NASA侧重于影响空间的九博体育研究和探索。Volk举了几个过去CASIS项目的例子：宝洁公司（Proctor and Gamble）改善了其清洁产品的保质期，达美公司（Delta）九博体育研究了淋浴时使用更少水的液滴配方，固固尔公司（Goodyear）试验了二氧化硅，使轮胎更环保。

罗获得了CASIS的资助，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，包括由于COVID-19大流行而推迟。在这个实验中，他需要一种设备，可以产生一个水泡，并记录下水泡行为的视觉和读数，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。

“我们正在做基础九博体育研究，”罗说。“我们设计了这个实验，但需要有人把这个想法转化为一个全自动的、可以飞行的装置。”

罗说，第一个实施伙伴已经完成了一半的项目，并表示还需要100万美元才能完成。因此，他找到了一个新的合作伙伴Space Tango，来建造一个集装箱实验室，可以插入国际空间站的一个插槽，并自行运行。Space Tango专门设计和建造用于太空的自动化硬件。

实验被安置在一个被称为CubeLab的小立方体中，它配备了四个流体隔间，加热表面的热能力，以及四个不同的铜表面，这些铜表面具有不同的结构尺度，或工程表面，范围从100纳米到几微米。

他说：“我们认为，可能存在一种结构尺寸，可以提供最佳的钉住力，从而产生更大、更稳定的气泡。”

CubeLab在每个基板上的实验只花了几分钟，但他们必须重复几次，每次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，相机故障使它无法移动到其他三个基片上录制视频以进行比较。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，以及具有最小纳米结构表面的第一个位置的高分辨率视频。

“我们将在接下来的两周内深入九博体育研究这些视频，看看我们能发现什么有趣的东西，”罗在8月份说。“我们从一个表面获得的数据已经可以揭示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，为了突破人类知识的界限，科学实验本身就包含着风险。太空探戈公司表示，计划再次将立方体实验室送入国际空间站。与此同时，罗可能会在地球上想出一个变通办法。

罗说：“我们可以根据某些假设开发一些计算模型，并使用国际空间站的实验结果来验证这些模型。”“然后我们用这些模型来预测我们无法捕捉到的其他表面会发生什么。”