才下Nature封面，又上Science封面—氣泡的頂刊之旅

2020-09-05 X一MOL資訊

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

大家可能還記得，前不久我們剛介紹了一篇Nature 封面文章，研究人員用肥皂泡和雷射，首次在世人面前展示了光的分支流（Nature, 2020, 583, 60-65，點擊閱讀詳細）。


近日的一期Science，氣泡再次登上封面，研究的課題也很有意思——氣泡到底是怎麼破的？


氣泡很容易破裂，浮在水面上的氣泡，戳一下就會瞬間消失，整個過程以毫秒計。這不僅引起佛經中的感嘆——「一切有為法，如夢幻泡影」，也讓不少科學家產生了濃厚的興趣。氣泡的物理性質取決於液體的粘度，雖然水泡、肥皂泡破的非常快，但是在非常粘稠的液體中，表面氣泡的破裂過程可能會持續整整一秒，這就讓研究人員有更多的時間來觀察氣泡破裂過程的複雜相互作用。


之前的研究中，科學家們做了個有意思的實驗。他們在粘性液體表面氣泡的頂部戳了一個洞，與肥皂泡一戳就破不同，粘性液體的表面氣泡花了將近一秒鐘才消失，而且高速攝影機的影像表明，戳出來的洞在這個過程中並沒有立刻變大，與之相對，氣泡卻快速的下沉和收縮，直到變成一個中間有孔的扁平盤。因為孔洞增長的速度不如氣泡液膜下降的速度，科學家們於是得出結論，重力是氣泡坍塌的主要原因。真的是這樣嗎？

James C. Bird教授團隊重做經典的氣泡破裂實驗。圖片來源：Science


近日，美國波士頓大學James C. Bird教授研究團隊重新研究了這個現象，並得出了顛覆傳統的結論。他們的實驗和理論工作表明，粘性液體表面氣泡的表面張力誘發動態屈曲不穩定形成表面起皺現象，進而驅動氣泡崩潰、破裂，氣泡液體薄膜的坍縮和褶皺形貌的產生與氣泡所受重力未呈現相關性。換句話說，表面張力是導致粘性液體表面氣泡破裂的決定性因素，而非此前認為的重力。相關論文發表於Science 上，並被選為封面論文。

James C. Bird教授和當期Science 封面。圖片來源：Boston University / Science


他們的實驗設計也很是巧妙。既然懷疑重力的作用，那麼就想辦法讓氣泡「倒立」（液面在上而氣泡在下），這樣氣泡坍塌的方向就正好和重力作用方向相反，如果「倒立」的氣泡和正常的氣泡（氣泡在上而液面在下）的破裂和坍塌過程相差不大，那就能夠排除重力的影響。他們選用了矽油作為高粘度液體，先是重做經典的氣泡破裂實驗；然後把容器倒過來，矽油粘度很大，就算倒過來也不會流出，這讓他們可以進行「倒立」氣泡的破裂實驗。果然，如他們懷疑的那樣，無論氣泡是否「倒立」，坍塌過程非常相似。而且，就算是把容器豎起來（液面與重力方向平行），坍塌過程也非常相似。

不同方向的粘性液體表面氣泡的坍塌。圖片來源：Science


「倒立」粘性液體表面氣泡的破裂實驗。圖片來源：Science


當粘性液體表面氣泡破裂時，氣泡液膜會形成一個不斷擴大的孔洞，使內困的氣體得以逸出；氣體逸出使得液膜表面力學狀態失衡，在應力作用下液膜表面呈現褶皺現象（表面起皺）。以往的研究認為，這種液膜表面起皺現象源自於薄膜自身重量及氣泡表面孔洞結構幾何約束的共同作用，但Bird教授等人的實驗證明真正起作用的「另有其人」。Bird教授研究團隊通過矽油表面氣泡破裂過程的系統研究發現，誘發氣泡破裂的作用力中毛細作用力與重力的比值約為80，表明表面張力在氣泡破裂過程中起主要作用，而重力的作用幾可忽略不計。

液膜厚度及粘度對氣泡破裂行為的影響。圖片來源：Science


未破裂氣泡表面起皺內在機理探究。圖片來源：Science


同時，該團隊系統研究了決定體系表面張力的兩個重要因素——液膜厚度和液體粘度——對氣泡破裂過程動力學的影響。液膜厚度、液體粘度決定氣泡初始高度與坍塌速度，液體粘度的增加可減緩氣泡坍塌。他們也研究了未破裂氣泡表面起皺現象的內在物理機制，氣泡坍塌過程中產生的橫向外壓超過了液膜自身表面張力的平滑效應，即兩者綜合作用產生的應力刺激超過了氣泡（液/氣）體系的臨界起皺壓縮應力值，使得體系呈現表面起皺失穩現象。研究團隊通過實驗數據與理論模型結合對上述機理進行了系統驗證。

氣泡表面起皺機理的實驗與理論模型驗證。圖片來源：Science


簡評


「氣泡」這一人們熟知的現象，一方面在日常生活如食品加工、工業應用如多孔材料製備等方面具有廣泛的應用，另一方面在玻璃製備、塗層構築及醫療診治過程中又需極力避免。這一研究成果，能幫助人們深入、準確地掌握「氣泡」的形成及消除的內在機理，以在各個領域更好的利用「起泡」現象。


PS：最近頗有幾篇「貼近生活」的頂刊文章，除了這篇之外，還有「刮鬍刀為什麼會鈍」（Science, 2020, 369, 689，點擊閱讀詳細）。筆者在想，還有哪些生活中的現象可以挖掘一下呢？


A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscous bubble collapse upside down

Alexandros T. Oratis, John W. M. Bush, Howard A. Stone, James C. Bird*

Science, 2020, 369, 685-688, DOI: 10.1126/science.aba0593

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