凍結的泡泡,你為什麼變成了雪花球?

2021-02-22 酷炫科學

在足夠寒冷的戶外，吹上一個泡泡，人們可以看到相當驚豔的一幕：在肥皂泡表面，許多小小的冰晶均勻地分散開來，仿佛就像是有人搖動了雪花球。這些小冰晶逐漸凝結生長，直到整個泡泡都被凍結。

類似這樣的視頻在網上已經火了幾個冬天，大家紛紛感嘆：好美啊！但這到底是為什麼？肥皂泡冷了會結冰是很好理解，但小冰晶為什麼會如此星星點點地漂在泡泡上？

而現在，終於有科學家站出來解釋啦！在美國物理學會第70屆流體動力學年會上，來自維吉尼亞理工的研究者們給出了他們的解釋。他們在-20℃的冷凍室中拍攝並觀察了附著在固體表面的肥皂泡如何凍結。結果就像很多網絡熱門視頻那樣，他們也觀察到了宛如雪花球的結冰現象。

根據視頻記錄，研究者闡釋了這種現象具體的發生過程：

①首先，在靠近固體表面的泡泡底部產生了小冰晶。

②凝固是會放熱的，同時無論薄薄的肥皂泡膜還是周圍的空氣都不會很快導走熱量，於是生產小冰晶的局部液膜溫度變得比其他地方高了一點。

③現在，肥皂泡膜的不同部位溫度出現差異了，而這也會帶來表面張力的差異。於是，Marangoni效應出現了（對，又是它）。結果是，隨著液膜上形成的對流，底部的小冰晶開始向上移動。

④隨著移動，小冰晶充滿了泡泡膜，剩餘的液體繼續在上面凝結。因為凝結核小冰晶的均勻分散，整個泡泡非常均勻地凍結，因此也更容易在完全凍結之前保持完整。

一個示意圖：

仔細觀察的話，可以看到液膜的流動，底部的小冰晶隨著液膜向上運動：

順便說，如果只有固體表面溫度足夠低，而周圍環境都是無法維持冰晶的常溫，那麼肥皂泡的結冰就是從底部緩慢向上的，並且有可能完全結冰之前泡泡就塌掉了。還是在周圍環境溫度都足夠低的情況下形成的冰晶最漂亮。

研究者的完整解釋視頻可以在這裡看到：https://gfm.aps.org/meetings/dfd-2017/59bac426b8ac316d38841e74

相比在網絡上走紅的視頻，科學家的解釋可能總是要來遲一步，不過了解了細節也會讓現象看起來更有趣~

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