作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2021-2-4
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从枪虾捕食到超声造影技术

 

■张宇宁

今年1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,其中将“集成电路科学与工程”和“国家安全学”作为下设一级学科。

这和近年来交叉学科的发展受到关注和重视有关。一系列相关政策不但很大程度上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。

简而言之,学科交叉是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,目的是为了更好地应对并解决复杂问题,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,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。

科研人员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米/秒的水流,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。

而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或气泡的产生、长大及破裂消失的现象,空化现象中出现的蒸汽泡或气泡被称为空化泡。

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。

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和强度的差异,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和准确性。

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。

大师的交叉学科经历也很有借鉴意义。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,60年代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,已86岁高龄的林先生,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。

交叉学科是未来重要的学科增长点之一,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开辟另一番天地,尤其是对于有志于从事科研工作的同学。

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《中国科学报》 (2021-02-04 第8版 博客)
 
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