​困擾科學家的百年謎團，竟被一個學生給破解，還推翻先前的理論標題

2020-10-18 博科園

來自洛桑聯邦理工學院的一名本科生，解開了一個困擾科學家100年的謎團。他發現了為什麼在狹窄的垂直管中，氣泡似乎停留在那裡而不是向上上升。根據他的研究和觀察，氣泡周圍形成了一層超薄的液體薄膜，阻止它自由上升。他發現，事實上，氣泡根本沒有卡住——它們只是移動得非常、非常慢。一杯水中的氣泡自由地漂浮在水面上，其背後的機制很容易被科學基本定律所解釋。

然而，同樣的科學定律不能解釋：為什麼幾毫米厚管子裡的氣泡不會以同樣的方式上升。物理學家在近一個世紀（100年）前首次觀察到這種現象，但無法提出解釋——理論上，除非流體在運動，否則氣泡應該不會遇到任何阻力；因此，卡住的氣泡應該不會遇到任何阻力。早在20世紀60年代，一位名叫布雷瑟頓(Bretherton)的科學家，根據氣泡的形狀開發了一個公式來解釋這種現象。

從那以後，其他研究人員假設氣泡不會上升，因為在氣泡和管壁之間形成了一層薄薄的液體。但是這些理論並不能完全解釋為什麼泡沫不會上升。作為洛桑聯邦理工學院工程學院軟界面工程力學實驗室(EMSI)的學士學生，Wassim Dhaouadi不僅能夠觀察液體薄膜，而且能夠測量並描述其性質，這是以前從未做過的事情。他的發現表明，氣泡並沒有像科學家之前認為的那樣被卡住，而是實際上向上移動的速度非常慢。

Dhaouadi的研究現在發表在《Physical Review Fluid》期刊上，這標誌著第一次提供實驗證據來檢驗早期理論。Dhaouadi和工程學院軟界面工程力學實驗室負責人John Kolinski使用光學幹涉方法測量了薄膜，發現它只有幾十納米(1x10^-9米)厚。該方法包括將光引導到窄管內的氣泡上，並分析反射光的強度。利用管子內壁和氣泡表面反射光的幹涉，精確地測量了薄膜厚度。Dhaouadi還發現，如果將熱量施加到氣泡上，薄膜會改變形狀。

一旦熱量被移除，薄膜就會恢復到原來的形狀，這個發現推翻了最新理論，即薄膜會流失到零厚度。這些測量還表明，氣泡實際上在移動，儘管速度太慢，肉眼看不見。因為氣泡和管子之間的薄膜很薄，它產生了強大的流動阻力，大大減緩了氣泡的上升速度。這些發現與基礎研究有關，但可用於在納米尺度上研究流體力學，特別是生物系統的流體力學，Dhaouadi在獲得學士學位期間作為暑期研究助理加入實驗室。

Dhaouadi進步很快，並且自願地繼續工作。基本上是出於對研究的興趣參與了這項研究，並最終發表了一篇來自他的論文，解決了一個世紀以來的難題。現在正在蘇黎世聯邦理工學院完成碩士學位的Dhaouadi表示：我很高興在課程的早期就開展了一個研究項目，這是一種新的思考和學習方式，與你知道有解決方案的家庭作業大不相同，儘管可能很難找到解決方案。一開始，甚至不知道這個問題是否會有解決方案。

博科園｜研究/來自：洛桑聯邦理工學院

參考期刊《Physical Review Fluids》

DOI: 10.1103/PhysRevFluids.4.123601

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