科學家揭示氣泡破滅的物理學過程 _科學

科學家揭示氣泡破滅的物理學過程
在事物的表面，氣泡的破裂似乎是一個簡單的、平淡無奇的事件。在6月10日出版的《自然》雜志上，哈佛工程師報告說，與此正好相反的是，氣泡破裂的背后其實隱藏著精美而復雜的物理學過程。

氣泡不是簡簡單單地就化為烏有了，一個大氣泡會消散于一串小氣泡中。這一發現可稱得上是“爆破”科學領域所取得的一個進步。

靈感來自偶然

論文的主要作者、美國哈佛大學工程與應用科學系的畢業生詹姆斯·伯德及其同事是在偶然的情況下發現這一普遍規律的。他們表示，在洗碗池中的泡沫和海洋中的泡沫破裂的方式其實是完全一樣的。

伯德和文章的另一作者、哈佛大學工程與應用科學系前助理研究員洛朗·科爾賓，在一次實驗室午夜會議期間激發了研究氣泡如何破裂的靈感。當時他們正在研究在不同的表面傳播氣泡的方法，他們倆注意到了生成的這些小氣泡串，于是決定一探究竟。

“自此之后，只要是下雨天，無論任何時候，我都要跑到水坑周圍去觀察氣泡的破滅。”伯德說，“當我在大海中游泳時，我也要對著海水表面的氣泡盯會兒，看看能否觀察到同樣的效果。我很快意識到，這種現象無處不在。”

氣泡破滅兩部曲

伯德解釋說，為了使表面積最小化，一個泡沫在接觸到固體或液體界面時會接近于半球形。當這些半球形氣泡爆裂時，通過兩個步驟創建出一串小氣泡。由此產生的小氣泡雖早已司空見慣，但這些小氣泡串到底是怎樣產生的卻從未有文獻報道過。

伯德認為，氣泡的曲面特性在此過程中起著關鍵的作用，因為這種形狀會導致氣泡內部壓力高于外部。一旦氣泡打破平衡（如爆裂），表面張力就會產生一個向內的合力。第一步，氣泡收縮時，作用在氣泡上的力會引起泡膜罩住自己，因此在圓環面內陷出一個空氣氣囊。第二步，表面張力將這個氣囊破裂成一串更小的氣泡，這就像是淋浴頭中的細小水流會因表面張力而成為一個個的水滴。

不過，這種級聯效應是短暫的，在迄今為止的實驗中發生次數不超過兩次。最小的氣泡不再形成球形帽并重新融入液體，這就是級聯的結束。

過程精美而復雜

由于爆裂過程發生得太快，以至于用肉眼根本無法看到。研究小組利用高速攝影機拍攝了氣泡的破裂過程。基于觀測到的視頻，他們構建了一個數學模型來測試和復制他們的實驗假設。

氣泡破裂背后的物理學過程似乎完全不受氣泡材料的影響。研究人員驚奇地發現，在像油這樣的粘性液體中仍能觀察到小氣泡串效應，甚至在粘稠度達至5000倍的水溶液中依然如此。伯德希望繼續在熔融玻璃、巖漿和泥漿等更多特異性材料中研究類似的破裂效應。

雖然了解氣泡如何破滅也許在近期內無法提供任何實際應用，但研究人員期望，了解如何從較大的氣泡創建出小氣泡，未來某一天也許可幫助了解各個領域。

“我們為為何會觀察到這些小氣泡串提供了一個一般性的解釋， ”論文共同作者、普林斯頓大學機械和宇航工程教授霍華德·斯通說，“我們認為，這項研究的重點之一是大氣泡在氣霧形成中的作用。”

眾所周知，當小氣泡在液體表面破裂時，會向上噴射小液滴。這種效應在碳酸汽水中很容易觀察和感覺到。以氣泡作介導的氣霧劑也與健康和氣候方面的應用相關。這些液滴可將海洋等大片水域中的、諸如可溶性氣體或鹽等任何傳導性材料傳遞到空中。

在家中就可一試

“許許多多的尖端科學成果必須利用專門的設備或儀器才能觀察到。我之所以熱愛此項研究，是因為任何人在他們的廚房里就能看到整體效果， ”伯德總結道，“這雖是一個相對簡單的效果，但你最終可觀察到美麗的圖案，得到具有普遍意義的結論。”

尖端科學通常不是任何人就能在居家廚房中就能完成的。但是，在6月10日《自然》雜志上刊登的此篇文章中出現的那些靈感，只要你準備一些肥皂水、一塊玻璃和一根稻草，就可以迅速復現出來。

要嘗試做這個實驗，你只要將稻草的一頭浸入水中，使其沾上肥皂水，然后將其放置在玻璃上，同時吹稻草的另一端，在玻璃上創建出一個約2厘米至3厘米大的半球形泡沫。

現在，你只需靜靜地等著泡沫破裂，如果你等得不耐煩了，也可以用手把它弄破。圍著泡沫邊緣仔細觀察，你就能看到那串美麗的小氣泡。
【科學家揭示氣泡破滅的物理學過程】
馮衛東科技日報