想象一下，一个如此灵敏的传感器可以通过一滴血液检测出早期癌症，从而能够在出现第一个症状之前(甚至可能在肿瘤形成之前)进行诊断和治疗。

接下来，想象一下一种能够识别海水中哪怕是最微小的塑料污染物的痕量设备，使科学家能够减轻纳米塑料等危险的微观有毒废物对环境的影响。纳米塑料是一类尺寸在1到1,000纳米之间的微塑料。

问题是，血液样本和装有污染水的小瓶将在太空中进行检查，在太空中，由于没有重力，将会出现意想不到的情况：形成异常大的气泡，这些气泡可以更有效地浓缩癌症生物标志物等物质，以供检测。

这是圣母大学研究员罗腾飞的未来愿景，他研究分子水平上的质量和能量传输。他的概念很简单，但应用范围很广。通过利用热、流体和光的独特性质及其与气泡的相互作用，罗腾飞试图创造一种在地球上有用但在太空微重力环境中表现更好的传感技术。这些传感器通过产生与物质浓度成比例的信号来测量生物或化学含量。

罗教授的技术利用气泡来浓缩和提取液体样本中最小的物质，有望实现比目前高出几个数量级的检测灵敏度和准确度。该技术的关键是让气泡摆脱重力的束缚，在更大的空间范围内和更长的时间内充当目标微观物质的浓缩器，使物质更容易检测和分析。

罗表示，这种生物传感方法最终可以提高依赖于从液体中提取高浓度样品的癌症诊断工具的效率。

“目前可用于在成像过程中发现肿瘤之前筛查早期无症状癌症的技术非常有限，只能筛查少数癌症，”罗说。“如果使用我们的太空气泡技术进行癌症筛查变得民主化且成本低廉，那么可以筛查出更多的癌症，每个人都可以受益。我们或许可以将其整合到年度检查中。这听起来有些牵强，但这是可以实现的。”

国际空间站(ISS)实验室的一系列实验中的第一项旨在研究当水在太空中沸腾时，气泡在不同粗糙度的表面上如何形成和生长，与地球上的过程相比如何。初始实验检查了一种表面上的气泡行为，诺斯罗普·格鲁曼公司第17次CRS任务中的第二次迭代研究了四种不同的表面。

飞行硬件内的高速摄像机捕捉到了气泡生长过程，然后罗的团队结合计算机模拟分析了视频。实验重点关注影响气泡形成的两个基本因素：表面纹理和周围液体的运动。据罗说，结果令人鼓舞，表明气泡在太空中比在地球上生长得更大、更快。

了解太空中气泡生长的机制将有助于罗改进他的技术，以便从液体中提取极低浓度的物质，他说这是检测血液样本中的癌症或水中微量污染物的下一步。除了地球应用之外，该技术还可以促进低地球轨道经济，并可能在深空探索期间陪伴宇航员评估机上水源的污染情况或监测机组人员的健康状况。

罗先生来自中国，在麻省理工学院完成博士后研究后加入圣母大学，并于2012年创办了MONSTER(分子/纳米级传输和能源研究)实验室，研究分子级能源和质量传输。

在2020年发表于《先进材料界面》的一项研究中，罗和他的研究团队使用激光加热含有涂有DNA生物标记物的纳米颗粒的溶液。他们成功地将纳米颗粒吸引到激光产生的气泡中，并将其沉积在基底上，形成了罗所说的“高密度浓缩岛”。

由于一种称为马兰戈尼流的现象，纳米颗粒被输送到气泡表面。气泡越大，在液体中停留的时间越长，且不脱离表面，被其吸引的物质就越集中。生物标记物沿着气泡迁移到固体表面，在那里聚集在一起并收集起来，准备进行研究。此时，罗使用显微镜检查气泡并确定表面上沉积了什么。

为了培育“更大、在表面存活时间更长的气泡”，并使其生物传感器更加灵敏，罗利用空间站独特的微重力环境，并寻求太空探戈的帮助。

SpaceTango总裁兼联合创始人TwymanClements解释说：“微重力通过消除宇宙中一种基本力，为探索物理学基本原理提供了理想的环境。在地球上，气泡受到表面张力和浮力等相互竞争的力的影响，但在低地球轨道上，这些力被消除了。”

SpaceTango与罗的团队合作开发定制硬件，以确保航天项目的成功。

“为了这项研究，研究小组设计了一个自动化实验，从流体控制系统到高速成像工具，这些实验在微重力条件下运行，并在空间站上安全地加热研究中的液体，”克莱门茨说。“随着我们不断改进技术，这项努力凸显了我们致力于推动流体动力学研究的边界，使其应用​​于造福地球及其他地区的人类。”

该实验被安置在一个新型立方体实验室中，立方体实验室是一个鞋盒大小的自动化平台，由SpaceTango开发。该硬件包括四个专用流体室和高分辨率成像系统，专门用于观察和分析微重力条件下的气泡形成。实验涉及将各种流体控制引入腔室，使研究人员能够研究微重力条件下气泡的形成、生长和聚结。

“我们发现气泡在太空中形成的速度比在地球上快得多。例如，在一项实验中，气泡在太空中形成需要4分35秒，但在地球上形成所需的时间是其两倍，这是由于液体运动冷却了该区域，即所谓的热对流，”罗说。

在太空中，没有浮力和对流，气泡生长的动态会发生巨大变化。在地球上，浮力(物体在流体中因重力而上升或下降的趋势)在气泡的形成和生长中起着重要作用。此外，由加热区域周围热液体的移动引起的对流有助于调节温度并减缓气泡的生长。

微重力环境下几乎没有浮力。这意味着气泡不会被拉离表面，从而使它们不受干扰地长大。此外，没有对流，就没有东西来冷却加热区域。结果，热能集中在一个较小的区域，导致气泡生长速度比地球上快得多，也大得多，罗说。

他的太空实验结果成功地证明了这些概念。气泡没有脱离表面，但最终因膨胀过大而破裂。“我们仍然不明白为什么，”罗说。

将梦想变成切实的技术

在分析和量化气泡体积后，罗教授及其团队确定太空气泡可能比陆地气泡大几个数量级。他们于今年早些时候在《自然-微重力》杂志上发表了他们的研究成果。

在地球上，罗利用他的技术在他从美国海岸收集的海水中找到了纳米塑料，包括来自一次性咖啡杯、水瓶和鱼网的纳米塑料，他在最近发表在《科学进展》上的另一篇论文中对此进行了描述。

“我们在墨西哥湾300米深处发现了某些浓度非常非常低的颗粒，但这让我们能够了解纳米塑料在我们的海洋环境中的样子，”罗说。

罗和他的团队将在即将于8月启动的实验中继续他们的研究。这次，该团队将进行粒子处理，以确认较大的气泡确实会增加收集到的浓缩纳米颗粒的密度。

SpaceTangoCubeLab也将经历一些变化。Luo正在与SpaceTango合作，实现一种安全、廉价的激光来加热液体;纳米颗粒吸收激光并将其转化为热量。用激光加热纳米颗粒悬浮液可以更好地控制Marangoni流动，从而提高生物标志物的浓度和收集率。

“如果浓度比与气泡大小成正比，我们应该能够将生物传感器的灵敏度再提高三个数量级，”罗说。“因此，理论上，这将使我们能够筛查早期癌症。”

罗开始思考如何将这个梦想变成现实。他估计，向空间站发送大约10,000份血液样本需要花费数百美元。当然，这还不包括飞行航天器的费用。他希望波音公司的星际客机和未来的商业太空目的地等飞行器可以帮助降低太空疾病筛查的成本，并进一步实现普及。

然而，扩大这一过程，让每个人都能进行太空筛查，仍是一个需要克服的重大障碍。与此同时，这些实验正在提高我们对复杂环境中表面气泡周围流体物理特性的理解。在粒子浓度、气泡大小和气泡增长率的极端条件下验证这项技术可能会使各种陆地筛查受益。这意味着绘制出癌症生物标志物或环境污染物检测的科学极限。

罗说，受益的不仅仅是地球上的人们。监测宇航员的健康状况对于长期的太空任务至关重要，尽早发现健康状况的变化可以确保他们的健康。增强太空生物传感器技术可以实现更准确、更可靠的健康监测，从而有助于更安全地进行太空探索。

航海者空间公司(VoyagerSpace)的业务发展总监乔纳森·沃尔克(JonathanVolk)表示，诸如罗的生物传感等双重用途应用具有变革潜力，将使太空探索和地球技术都受益。航海者空间是一家商业太空公司，专注于推进深空任务，包括月球和火星探索计划，以及开发商业空间站星际实验室(Starlab)。

沃尔克表示：“提高进入太空的可行性对于鼓励更多像腾飞这样的项目至关重要”，他强调了国际空间站国家实验室在将远见卓识的概念转化为现实方面发挥的作用。

“要在太空环境中进行科学研究，无论是物理还是生物学，创新思维都是必不可少的，一个想法很容易听起来像白日梦，”沃尔克说。“但一旦我们掌握了太空环境中的可能性，看似不可能的事情就有可能实现。”

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