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不过是破了个泡泡,科学家还能研究出个花来?
发布时间:2020-08-27     作者:   来源:科普中国   分享到:

平平无奇的泡泡,有你想不到的神通。

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带给人快乐的泡泡。| Pixabay.com

作者 | 龙浩

泡泡可以带给人强烈的快乐,比如吹出五彩斑斓的肥皂泡和不停捏爆泡泡膜。刘慈欣的科幻小说《圆圆的肥皂泡》中,小女孩圆圆也特别喜欢吹泡泡,还梦想着吹出特别特别大的泡泡。然而,她却不止一次被父亲诘问:“你吹泡泡有什么用?”

泡泡有什么用?在科学家和工程师眼中,泡泡绝对是平平无奇小天才:它带来了著名建筑“水立方”的设计灵感,它发出的湿罗音为医生诊断病情提供了依据,科学家利用泡泡膜建立的数学模型,还可以预测太阳耀斑发生的位置……

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国家游泳中心(水立方)| Pixabay.com

泡泡的惊人影响力和巨大应用价值正逐渐被发现和发掘。但是,泡泡形成与破裂过程中的许多科学问题仍然困扰着人们,一些公认的观点不断被否定和推翻。

泡泡中到底蕴藏了什么特别的科学原理?最近又有哪些关于泡泡的结论被颠覆?泡泡科学能为人类社会发展提供什么呢?

泡泡的成因:液体表面张力

19世纪末,德国一位名叫艾格尼斯·普克尔(Agnes Pockels)的家庭主妇在厨房里首次测定了液体的表面张力(当时德国不允许女性上大学)。在英国剑桥大学瑞利教授(正是提出“瑞利散射”的瑞利)的帮助下,她的研究成果被推荐发表在学术期刊《Nature》上,在当时的科学界引起了广泛的关注。

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艾格尼斯·普克尔(Agnes Pockels) | Wikipedia.org

她所研究的表面张力,如同一张可以自我修复回弹的皮肤,是形成泡泡和维持泡泡形状的原因。但是表面张力并不是越大越好。就像纯净水,过大的表面张力会将泡泡撕裂;但如果将肥皂溶入其中变成肥皂水,表面张力就会减小,吹出的泡泡会变得又大又圆。

重力还是表面张力?泡泡破裂机制存疑

除了泡泡的形成,泡泡的破裂也引人关注。生成或消除泡泡对工业界有重要影响。比如在制造玻璃和有机发光二极管(OLED)显示屏时,消除原料中的气泡可以显著提升产品质量。

人们一度以为对泡泡的破裂机理了如指掌:当一个气泡从液体底部逐渐浮升至液体表面,对于水这类低粘度液体形成的泡泡,表面张力会很快将它撕裂;而对于高粘度的液体,人们则认为重力的影响在这类泡泡破裂过程中占主导,而非表面张力。

高速摄像机拍摄的慢镜头仿佛也证实了这个观点:粘性泡泡破裂时顶部下沉,像是重力让它坍塌成泡泡饼;然后表面出现褶皱,看起来也像是重力而不是表面张力的作用,因为表面张力总是试图找寻表面积最小的情况。

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粘性泡泡破裂过程(动图) | Boston University

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“泡泡饼”表面出现的褶皱。| Oliver McRae, Insidescience.org

但是,这个结论隐约有些不对劲:为什么高粘度液体的情况和低粘度液体如此不同,仿佛重力只在粘性泡泡的坍塌中起作用?

美国波士顿大学的几位科学家也思考过这个问题,并且通过最近完成的一系列实验,否定了重力在粘性泡泡破裂过程中起主要作用的观点。

倒置泡泡:巧妙论证重力的影响

实验是怎么做的呢?既然之前的判断认为,重力是粘性泡泡破裂过程的主导因素,那么是否可以把重力换一个方向,然后观察泡泡的破裂过程是否发生变化?

当然不行。因为地球上重力的方向没法改变,那只能改变泡泡的方向了。他们让泡泡横过来,或、倒过来,站在泡泡的角度看,就像重力的方向改变了一样。为了防止泡泡方向改变时液体流出,研究人员采用粘度为纯净水100万倍的硅油进行实验。——相比之下,蜂蜜的粘度只有纯净水的3000倍。

如果按照先前观点,对于倒置的泡泡,当它破裂时,重力应该把泡泡拉扯的更像鸡蛋而不是坍塌成饼。但是实验结果显示:无论泡泡是正放、横放还是倒置,泡泡破裂时总是首先坍塌成饼,这说明重力在粘性泡泡破裂过程中并没有起到关键作用。

当研究人员计算薄膜上的作用力时,也得出了表面张力远大于重力的结论。理论和实验结果都充分证明,表面张力才是粘性泡泡破裂过程的主导因素。

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倒置的泡泡破裂时,一样先坍塌成饼。| Boston University

但破裂泡泡表面出现的褶皱是怎么回事?如果表面张力起主要作用,泡泡表面似乎应该更平坦才对。对此,研究人员表示:泡泡顶部的薄膜比较薄,这里的表面张力可以阻止褶皱形成;但在更厚的泡泡底部,泡泡坍塌造成的收缩足以克服表面张力而形成涟漪。

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泡泡破裂时的褶皱,是表面收缩产生的涟漪。| BostonUniversity

至此,泡泡破裂过程中的表面张力和重力影响效果已经分外明了:无论对低粘度还是高粘度液体,表面张力才是泡泡破裂的主导因素。

泡泡破裂:隐秘而重要的过程

可是,知道这些又有什么用呢?因为,泡泡充斥着生活、生产的各个角落,泡泡科学正在展现越来越大的潜在应用价值。人们对泡泡的认知越深刻,得到的惊喜就越多。

比如,利用泡泡可以提高船速。人们早就发现,帝企鹅在羽翼间储存了大量空气。当它向上游时,就会释放空气,形成大量气泡,使周边水的密度下降,从而让动作更轻盈。受此启发,人们在船的附近制造适量的泡泡,成功减小了行进阻力,提高了船速。

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泡泡让帝企鹅的动作更轻盈(动图) | Nationalgeographic.com

但是,在应用泡泡提速时应特别注意:大量气泡与船体撞击时破裂,会对船体材质造成损伤。

不过,正是利用了泡泡破裂的“破坏力”,通过超声波在水中产生大量微小泡泡,人们制造出了摩擦力极强的清洁机器。它被用于各种细小物品(如珠宝首饰)的清洁,还被用在眼镜店里帮助大家清洗眼镜。

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超声波清洗机通过泡泡变成清洁神器(动图)| Medgadget.com

泡泡的破裂,还给医学带来了启示。

科学家们观察到,座头鲸在海里游动时会吐出大量泡泡,它们是在排解作为生物体型巅峰的孤独吗?应该不是。大量泡泡的破裂会产生巨大的环绕立体声,困住受惊的鱼群,让它们捕猎更加轻松。这是座头鲸巧用泡泡觅食的重要技能。

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座头鲸巧用泡泡制造声音,让捕猎更轻松。| Reproduced from Sciencenews.org

由此,衍生出了所谓泡泡声学的分支。你一定听过饮水机放水时的泡泡声,泡泡的大小不同,音调也不一致。医生们可以根据气流通过有稀薄分泌物的支气管时气泡破裂的声音(湿罗音),分析病人的肺部状况。

医学家们还根据泡泡能裹挟微粒的特性,开发出了用于给药的泡泡疗法。

他们将特定的药物分子和金属颗粒附着于泡泡表面,将它们注入血管中。这些泡泡被控制在极其微小的尺度上(0.5~10μm,接近红细胞大小),以保证在进入血液后不会引起血管气泡栓塞。

然后,利用磁铁引导泡泡们到达病灶区域,再采用特定频率的超声波击碎泡泡以释放药物。这样,药物将定点作用于体内特定区域,而不影响身体其他部位。

泡泡疗法大幅减小了癌症化疗的副作用,已经在肝癌、胰腺癌、前列腺癌等癌症化疗过程中展示了良好效果。——不过作为一项新技术,它的安全性和有效性还有待进一步验证。

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泡泡疗法用于传送癌症药物。| Reproduced from Physicstoday.com

更令人脑洞大开的是,泡泡的相关输运能力,还可以用来调节气候。

在血管里,泡泡破裂释放药物,在海洋中,泡泡破裂则会向大气中释放盐类物质和有机物。同时,泡泡还会裹挟二氧化碳和氧气等进入海洋。泡泡连通了大气和海洋,在物质循环中发挥着隐秘而重要的作用,它们帮助海洋呼吸,也对气候产生重要影响。

在《圆圆的肥皂泡》中,圆圆最终实现了她的梦想,她成功制造出了巨型肥皂泡,并让泡泡带着湿润的水汽跨越大半个中国,在大西北上空破裂,给西部带来充沛的降水,实现了空中“南水北调”。这虽然是天马行空的想象,但和2018年我国正式启动的“天河工程”有异曲同工之妙。

“天河工程”试图通过对大气中水汽含量及“迁徙”路线进行监测,以掌握水汽“迁徙”规律,并在有条件的地区进行人工干预,达到空中调水的目的。这一设想直到现在还被很多人批“荒诞幻想”。但科学的发展谁知道呢?

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天河工程:通过干预水汽迁徙,实现空中调水。|来自网络

以上,都是泡泡破裂的妙处。但是,泡泡破裂也可能释放不好的东西。

例如,病毒。远的不说,在新冠肺炎患者支气管分泌物中,由呼吸活动导致的气泡破裂,将产生携带病毒的气溶胶,它是新冠肺炎传播的重要载体之一。而粘性泡泡破裂时产生的如涟漪般的褶皱,也增加了气溶胶中病毒的浓度。它们让疫情防控和诊治都变得困难。这是自然给我们展现的另一面。

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气溶胶中裹挟着冠状病毒,增加了防控和诊治风险。| Angelo Talia, Shutterstock.com

无处不在的泡泡,无限的惊奇

开尔文曾说:“如果吹一个肥皂泡并进行观察,你可能会穷尽一生去研究它,然后从中获得一个又一个物理定律。”泡泡已经进入越来越多的应用领域。当然,它也一直在我们身边:

大家不妨准备一个笛型和一个碟形玻璃杯,然后倒上香槟酒。稍等片刻,你会惊奇地发现,同样的酒在两个酒杯中的香气和口感竟真的不同。这不是玄学,它的秘密,就藏在不断产生且不断破裂的平平无奇的小泡泡里。

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笛型杯与碟型杯中的泡泡,让口感不同。| 来自网络


参考文献:

1.Alexandros T. Oratis1, John W. M. Bush, Howard A.Stone, et al., A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscousbubble collapse upside down. Science, 369(6504): 685-688, Aug 2020.

2.https://www.insidescience.org/news/new-theory-says-we%E2%80%99ve-been-wrong-about-how-bubbles-pop

3.Paul Sen, Pop! The Science of Bubbles, BBC, 2013.

4.Rayleigh, Surface Tension. Nature 43: 437–439, 1891.

文章由“十点科学”(ID:Science_10)公众号发布,转载请注明出处。

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