不過是破了個泡泡,科學家還能研究出個花來?

　　平平無奇的泡泡，有你想不到的神通。

　　帶給人快樂的泡泡。| Pixabay.com

　　作者| 龍浩

　　泡泡可以帶給人強烈的快樂，比如吹出五彩斑斕的肥皂泡和不停捏爆泡泡膜。劉慈欣的科幻小說《圓圓的肥皂泡》中，小女孩圓圓也特別喜歡吹泡泡，還夢想著吹出特別特別大的泡泡。然而，她卻不止一次被父親詰問：「你吹泡泡有什麼用？」

　　泡泡有什麼用？在科學家和工程師眼中，泡泡絕對是平平無奇小天才：它帶來了著名建築「水立方」的設計靈感，它發出的溼羅音為醫生診斷病情提供了依據，科學家利用泡泡膜建立的數學模型，還可以預測太陽耀斑發生的位置……

　　國家遊泳中心(水立方)| Pixabay.com

　　泡泡的驚人影響力和巨大應用價值正逐漸被發現和發掘。但是，泡泡形成與破裂過程中的許多科學問題仍然困擾著人們，一些公認的觀點不斷被否定和推翻。

　　泡泡中到底蘊藏了什麼特別的科學原理？最近又有哪些關於泡泡的結論被顛覆？泡泡科學能為人類社會發展提供什麼呢？

　　泡泡的成因：液體表面張力

　　19世紀末，德國一位名叫艾格尼斯·普克爾(Agnes Pockels)的家庭主婦在廚房裡首次測定了液體的表面張力(當時德國不允許女性上大學)。在英國劍橋大學瑞利教授(正是提出「瑞利散射」的瑞利)的幫助下，她的研究成果被推薦發表在學術期刊《Nature》上，在當時的科學界引起了廣泛的關注。

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

　　她所研究的表面張力，如同一張可以自我修復回彈的皮膚，是形成泡泡和維持泡泡形狀的原因。但是表面張力並不是越大越好。就像純淨水，過大的表面張力會將泡泡撕裂；但如果將肥皂溶入其中變成肥皂水，表面張力就會減小，吹出的泡泡會變得又大又圓。

　　重力還是表面張力？泡泡破裂機制存疑

　　除了泡泡的形成，泡泡的破裂也引人關注。生成或消除泡泡對工業界有重要影響。比如在製造玻璃和有機發光二極體(OLED)顯示屏時，消除原料中的氣泡可以顯著提升產品質量。

　　人們一度以為對泡泡的破裂機理了如指掌：當一個氣泡從液體底部逐漸浮升至液體表面，對於水這類低粘度液體形成的泡泡，表面張力會很快將它撕裂；而對於高粘度的液體，人們則認為重力的影響在這類泡泡破裂過程中佔主導，而非表面張力。

　　高速攝像機拍攝的慢鏡頭仿佛也證實了這個觀點：粘性泡泡破裂時頂部下沉，像是重力讓它坍塌成泡泡餅；然後表面出現褶皺，看起來也像是重力而不是表面張力的作用，因為表面張力總是試圖找尋表面積最小的情況。

　　粘性泡泡破裂過程(動圖) | Boston University

　　「泡泡餅」表面出現的褶皺。| Oliver McRae, Insidescience.org

　　但是，這個結論隱約有些不對勁：為什麼高粘度液體的情況和低粘度液體如此不同，仿佛重力只在粘性泡泡的坍塌中起作用？

　　美國波士頓大學的幾位科學家也思考過這個問題，並且通過最近完成的一系列實驗，否定了重力在粘性泡泡破裂過程中起主要作用的觀點。

　　倒置泡泡：巧妙論證重力的影響

　　實驗是怎麼做的呢？既然之前的判斷認為，重力是粘性泡泡破裂過程的主導因素，那麼是否可以把重力換一個方向，然後觀察泡泡的破裂過程是否發生變化？

　　當然不行。因為地球上重力的方向沒法改變，那只能改變泡泡的方向了。他們讓泡泡橫過來，或、倒過來，站在泡泡的角度看，就像重力的方向改變了一樣。為了防止泡泡方向改變時液體流出，研究人員採用粘度為純淨水100萬倍的矽油進行實驗。——相比之下，蜂蜜的粘度只有純淨水的3000倍。

　　如果按照先前觀點，對於倒置的泡泡，當它破裂時，重力應該把泡泡拉扯的更像雞蛋而不是坍塌成餅。但是實驗結果顯示：無論泡泡是正放、橫放還是倒置，泡泡破裂時總是首先坍塌成餅，這說明重力在粘性泡泡破裂過程中並沒有起到關鍵作用。

　　當研究人員計算薄膜上的作用力時，也得出了表面張力遠大於重力的結論。理論和實驗結果都充分證明，表面張力才是粘性泡泡破裂過程的主導因素。

　　倒置的泡泡破裂時，一樣先坍塌成餅。| Boston University

　　但破裂泡泡表面出現的褶皺是怎麼回事？如果表面張力起主要作用，泡泡表面似乎應該更平坦才對。對此，研究人員表示：泡泡頂部的薄膜比較薄，這裡的表面張力可以阻止褶皺形成；但在更厚的泡泡底部，泡泡坍塌造成的收縮足以克服表面張力而形成漣漪。

　　泡泡破裂時的褶皺，是表面收縮產生的漣漪。| BostonUniversity

　　至此，泡泡破裂過程中的表面張力和重力影響效果已經分外明了：無論對低粘度還是高粘度液體，表面張力才是泡泡破裂的主導因素。

　　泡泡破裂：隱秘而重要的過程

　　可是，知道這些又有什麼用呢？因為，泡泡充斥著生活、生產的各個角落，泡泡科學正在展現越來越大的潛在應用價值。人們對泡泡的認知越深刻，得到的驚喜就越多。

　　比如，利用泡泡可以提高船速。人們早就發現，帝企鵝在羽翼間儲存了大量空氣。當它向上遊時，就會釋放空氣，形成大量氣泡，使周邊水的密度下降，從而讓動作更輕盈。受此啟發，人們在船的附近製造適量的泡泡，成功減小了行進阻力，提高了船速。

　　泡泡讓帝企鵝的動作更輕盈(動圖) | Nationalgeographic.com

　　但是，在應用泡泡提速時應特別注意：大量氣泡與船體撞擊時破裂，會對船體材質造成損傷。

　　不過，正是利用了泡泡破裂的「破壞力」，通過超聲波在水中產生大量微小泡泡，人們製造出了摩擦力極強的清潔機器。它被用於各種細小物品(如珠寶首飾)的清潔，還被用在眼鏡店裡幫助大家清洗眼鏡。

　　超聲波清洗機通過泡泡變成清潔神器(動圖)| Medgadget.com

　　泡泡的破裂，還給醫學帶來了啟示。

　　科學家們觀察到，座頭鯨在海裡遊動時會吐出大量泡泡，它們是在排解作為生物體型巔峰的孤獨嗎？應該不是。大量泡泡的破裂會產生巨大的環繞立體聲，困住受驚的魚群，讓它們捕獵更加輕鬆。這是座頭鯨巧用泡泡覓食的重要技能。

　　座頭鯨巧用泡泡製造聲音，讓捕獵更輕鬆。| Reproduced from Sciencenews.org

　　由此，衍生出了所謂泡泡聲學的分支。你一定聽過飲水機放水時的泡泡聲，泡泡的大小不同，音調也不一致。醫生們可以根據氣流通過有稀薄分泌物的支氣管時氣泡破裂的聲音(溼羅音)，分析病人的肺部狀況。

　　醫學家們還根據泡泡能裹挾微粒的特性，開發出了用於給藥的泡泡療法。

　　他們將特定的藥物分子和金屬顆粒附著於泡泡表面，將它們注入血管中。這些泡泡被控制在極其微小的尺度上(0.5~10μm，接近紅細胞大小)，以保證在進入血液後不會引起血管氣泡栓塞。

　　然後，利用磁鐵引導泡泡們到達病灶區域，再採用特定頻率的超聲波擊碎泡泡以釋放藥物。這樣，藥物將定點作用於體內特定區域，而不影響身體其他部位。

　　泡泡療法大幅減小了癌症化療的副作用，已經在肝癌、胰腺癌、前列腺癌等癌症化療過程中展示了良好效果。——不過作為一項新技術，它的安全性和有效性還有待進一步驗證。

　　泡泡療法用於傳送癌症藥物。| Reproduced from Physicstoday.com

　　更令人腦洞大開的是，泡泡的相關輸運能力，還可以用來調節氣候。

　　在血管裡，泡泡破裂釋放藥物，在海洋中，泡泡破裂則會向大氣中釋放鹽類物質和有機物。同時，泡泡還會裹挾二氧化碳和氧氣等進入海洋。泡泡連通了大氣和海洋，在物質循環中發揮著隱秘而重要的作用，它們幫助海洋呼吸，也對氣候產生重要影響。

　　在《圓圓的肥皂泡》中，圓圓最終實現了她的夢想，她成功製造出了巨型肥皂泡，並讓泡泡帶著溼潤的水汽跨越大半個中國，在大西北上空破裂，給西部帶來充沛的降水，實現了空中「南水北調」。這雖然是天馬行空的想像，但和2018年我國正式啟動的「天河工程」有異曲同工之妙。

　　「天河工程」試圖通過對大氣中水汽含量及「遷徙」路線進行監測，以掌握水汽「遷徙」規律，並在有條件的地區進行人工幹預，達到空中調水的目的。這一設想直到現在還被很多人批「荒誕幻想」。但科學的發展誰知道呢？

　　天河工程：通過幹預水汽遷徙，實現空中調水。|來自網絡

　　以上，都是泡泡破裂的妙處。但是，泡泡破裂也可能釋放不好的東西。

　　例如，病毒。遠的不說，在新冠肺炎患者支氣管分泌物中，由呼吸活動導致的氣泡破裂，將產生攜帶病毒的氣溶膠，它是新冠肺炎傳播的重要載體之一。而粘性泡泡破裂時產生的如漣漪般的褶皺，也增加了氣溶膠中病毒的濃度。它們讓疫情防控和診治都變得困難。這是自然給我們展現的另一面。

　　氣溶膠中裹挾著冠狀病毒，增加了防控和診治風險。| Angelo Talia, Shutterstock.com

　　無處不在的泡泡，無限的驚奇

　　開爾文曾說：「如果吹一個肥皂泡並進行觀察，你可能會窮盡一生去研究它，然後從中獲得一個又一個物理定律。」泡泡已經進入越來越多的應用領域。當然，它也一直在我們身邊：

　　大家不妨準備一個笛型和一個碟形玻璃杯，然後倒上香檳酒。稍等片刻，你會驚奇地發現，同樣的酒在兩個酒杯中的香氣和口感竟真的不同。這不是玄學，它的秘密，就藏在不斷產生且不斷破裂的平平無奇的小泡泡裡。

　　笛型杯與碟型杯中的泡泡，讓口感不同。|來自網絡

　　參考文獻：

　　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.

 

 

編輯： 張麗芸