漣漪效應，英語：Ripple effects，指液態粘性氣泡所產生的漣漪影響漸漸擴大的現象。漣漪效應中粘性氣泡的破裂在自然界和工業應用中十分普遍，比如當前的新冠病毒大流行的潛在的攜帶病原體的氣溶膠，這些氣溶膠與襯在呼吸道中的粘彈性流體中的薄氣泡膜的漣漪效應氣泡破裂有關。
一個由麻省理工學院、普林斯頓大學、波士頓大學的機械工程、數學和航空航天工程研究團隊對這種漣漪效應氣泡的破裂，予以了系統深入的研究。該最新研究結果論文發表在最近的《科學》雜誌上，並作為《科學》雜誌的封面文章。
通過使用複雜的照明設置和快速的快門速度，完美地捕捉了短暫的瞬間，拍攝了從稠密矽油周圍介質中冒出的微小氣泡，這種現象伴隨著產生徑向皺紋的彈性薄膜。
儘管漣漪薄膜的重量似乎在膜塌縮和起皺不穩定性中起主要作用，但在這項工作中，重力似乎起著令人驚訝的作用。基於這種現象的流體力學，結果表明，表面張力是塌陷過程中引發動態屈曲不穩定性和起皺行為的驅動因素，並伴隨著彎曲的粘性和粘彈性薄膜的破裂。該研究工作與了解工業和化學應用有關，包括呼吸道呼氣事件產生的氣溶膠。如圖所示在氣泡破裂的膠片上形成的漣漪效應拍下了塌陷場景。
薄膜起皺
了解氣泡的形成非常重要，因為氣泡在自然界和工業應用中無處不在，包括在玻璃製造、噴漆、放射性廢物處置、火山噴發過程、攜帶病原體的氣溶膠等中的氣泡集積。彈性薄膜在壓縮應力下會起皺。在該研究中，研究人員專注於理解薄膜的彈性片材拉伸及其彎曲變形。當上升的氣泡到達表面破裂時，粘性液體也可能在「不穩定性」過程中彎曲。表面覆蓋後，氣泡由球形帽形式的液體薄膜組成，並由內部捕獲的氣體支撐。氣泡破裂過程中產生的皺紋是由於薄膜塌縮的重量而造成的，從而使捕獲的氣體逸出。結果表明，起皺的不穩定性並不特別取決於重力，也沒有實驗上形成的允許被捕獲的氣體從氣泡中逸出的孔的存在。如圖所示的複雜照明設置可以拍攝從濃密的矽油中冒出來的微小氣泡。
概念驗證
該團隊進行實驗觀察矽油浴上坍塌的氣泡中皺紋的發展，以表明皺紋是由表面張力而不是重力驅動的。為了驗證該假設，他們進行了一個實驗，將氣泡倒置，由於液體粘度，這種方法變得容易。他們通過將氣泡朝上準備好並快速旋轉樣品以使其在幾秒鐘內破裂來實現此目的。當倒置時，氣泡膜在頂點處繼續保持其形狀和厚度。如果重力和粘度是該過程的主要貢獻者，那麼從模擬中可以看出，倒置的氣泡將向下拉長。相反，研究小組注意到倒置的氣泡在重力的作用下又恢復了原來的狀態，而氣泡的最後階段卻形成了皺紋，從而使它們清晰地看到了整個過程。
表面張力—驅動力
為了解表面張力現象背後的驅動力，科學家們測量了坍塌時間尺度特徵的關鍵參數。為此，在實驗過程中使用了各種粘度和不同膜厚的矽油。他們使用高速圖像計算起皺時的代表速度，並增加矽油的粘度，以減慢塌陷。不出所料，更薄的氣泡崩潰得更快。在這項工作中得出的模型表明，皺紋的數量如何嚴重取決於引發氣泡塌陷的孔的大小。在實驗演示期間，研究小組使用毛細管驅動的裝置消除了整個氣泡表面的壓力差，該裝置不會破壞薄膜，結果，在此過程中產生的孔有效地導致了氣泡破裂而不會破裂膜。
實驗結果與理論基本吻合。系統中拉應力和壓應力之間的競爭影響了薄膜中起皺圖案的位置。 使用從熔爐中抽出的吹制熔融玻璃，對較厚的結構進行了額外的實驗，使熔融空氣通過吹玻璃管逸出。在此過程中，吹制的玻璃塌陷成皺紋形狀。在這項工作中得出的模型對於膜最薄的數據有局限性，在膜最薄的情況下坍塌非常突然，起皺圖案失去了對稱性，無法覆蓋整個氣泡。此外，該模型預測在所有情況下都不會發生皺紋。
研究表明，表面張力而非重力推動了粘性表面氣泡的破裂。他們開發了一種毛細管驅動的塌陷系統，通過可重複作用的薄膜的慣性、壓縮和粘性結合的同時相互作用來引發動態屈曲不穩定性。這項工作提出了在快速壓縮過程中具有類似彈性不穩定性的粘性薄片。結果還可以解釋潛在的攜帶病原體的氣溶膠呼出的流體力學，這些氣溶膠與襯在呼吸道中的粘彈性流體中的薄氣泡膜的破裂有關。該研究工作表明，僅表面張力可能會在粘性薄膜破裂期間促使屈曲不穩定性，從而使這些薄膜摺疊並截留空氣，從而為霧化機理提供更深入的認知。
參考：A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscous bubble collapse upside down,Science, sciencemag.org/content/369/6504/685