相信大家在小時(shí)候都玩過(guò)“肥皂泡”，只要有足夠的耐心與技巧，一定可以吹出一個(gè)夠大，夠漂亮的“肥皂泡”。我們都知道肥皂泡的基本原理在于表面張力，通過(guò)在水中加入表面活性劑，顯著的降低表面張力，使穩(wěn)定液面的曲率半徑更大，從而形成“肥皂泡”。講到這里，相信大家就有著疑問(wèn)，為什么我們家的肥皂水從來(lái)吹不出漂亮的泡泡呢，因?yàn)閮H僅是表面活性劑的存在是不夠，還需要加入少量但重要的聚合物作為穩(wěn)定劑。漂亮的肥皂泡轉(zhuǎn)瞬即逝，非常容易被破壞，這是因?yàn)樗幱谝环N亞穩(wěn)態(tài)并不穩(wěn)定，在外界碰觸時(shí)，穩(wěn)態(tài)被破壞，導(dǎo)致泡泡破裂。
泡泡的吹起與破裂不僅僅可以作為一個(gè)游戲，在工業(yè)生產(chǎn)中也存在著廣泛的用途。在食品工業(yè)，膠黏劑等領(lǐng)域需要大量的發(fā)泡，以形成空腔，制備低密度填充物；在涂料工業(yè)等領(lǐng)域則需要消泡劑的存在，以提高漆膜的質(zhì)量。因此氣泡的氣液相界面破裂原理是工業(yè)界急需解決的重要問(wèn)題，另一方面也是膠體界面化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。
近日，美國(guó)波士頓大學(xué)的James C. Bird教授課題組對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)表面張力是導(dǎo)致氣泡在粘性液體中破裂的決定性因素，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)為重力是決定性因素的認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究以“A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscous bubble collapse upside down”為題，以封面論文的形式，發(fā)表于世界一流期刊《Science》。
在液體內(nèi)部的氣體，會(huì)聚集形成氣泡，而后由于氣泡本身浮力的原因，必然會(huì)上升，到達(dá)界面處形成一個(gè)由內(nèi)部束縛的氣體所支撐的薄膜穹頂，而后薄膜穹頂會(huì)發(fā)生破裂。在低粘度液體中，由于表面張力和慣性的原因，氣泡壽命非常短，會(huì)在數(shù)毫秒內(nèi)瞬間破裂。但是在自然界和工業(yè)界廣泛存在的高粘度液體中氣泡的破裂過(guò)程則大不相同。高粘度液體中氣泡壽命會(huì)更長(zhǎng)，在界面處形成氣泡初期，由于氣泡的完整性，可以束縛氣體，內(nèi)部氣體對(duì)氣泡有支撐，而后氣泡頂部破裂產(chǎn)生一孔洞，內(nèi)外壓強(qiáng)一致，氣泡無(wú)法被支撐，氣泡周圍形成褶皺，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，進(jìn)而破裂。先前的研究認(rèn)為，重力和頂部的孔洞是這一演化過(guò)程中的決定性影響因素。
在本研究中，研究者通過(guò)研究不同位置（正置，側(cè)置，倒置）泡泡的破裂過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)，在不同位置的泡泡重力的方向大不相同，但是其破裂過(guò)程基本一致，因此初步判斷重力不是決定其破裂行為的決定性因素。以直徑為1 mm的氣泡在粘度為106 cPD的液體中，計(jì)算其毛細(xì)力與重力的影響之比，F(xiàn)c/Fg≈80，也可以看出由表面張力決定的毛細(xì)力是氣泡破裂過(guò)程中的決定性因素。
在此基礎(chǔ)上研究者又研究了氣泡坍塌過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。通過(guò)理論推理證明，在表面張力推動(dòng)氣泡崩塌的過(guò)程中，氣泡的高度與崩塌速度取決于，氣泡的厚度與粘度。研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究不同粘度硅油的崩塌過(guò)程。首先通過(guò)利用高速攝像機(jī)，證明了粘度與氣泡高度之間的關(guān)系，且通過(guò)增加粘度可以有效的延緩氣泡的崩塌。而后通過(guò)單色光衍射條紋測(cè)定氣泡頂端的厚度，證明了氣泡厚度與崩塌速度之間的關(guān)系。也進(jìn)一步論證了氣泡崩塌過(guò)程中，表面張力是主要推動(dòng)力。
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在先前的研究中認(rèn)為，氣泡表面產(chǎn)生的孔洞也是，產(chǎn)生褶皺的決定性因素之一。在此研究者們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)裝置，在氣泡達(dá)到最大后，由底部將氣體釋放，在不產(chǎn)生孔洞的情況下，使氣泡消融，在此過(guò)程中氣泡表面仍然產(chǎn)生了褶皺。研究者認(rèn)為這是由于，在氣體釋放，氣泡失去支撐后，氣泡的收縮過(guò)程中的箍壓縮大于表面張力的作用，產(chǎn)生褶皺。
James C. Bird課題組通過(guò)研究不同位置氣泡的破裂形態(tài)，發(fā)現(xiàn)表面張力是推動(dòng)氣泡破裂的主要推動(dòng)力來(lái)源，重力在其中起的作用微不足道，并且表面張力也是決定粘性氣泡行為和起皺的主要因素。他們也開發(fā)出一個(gè)預(yù)測(cè)模型，使得粘性液體中的氣泡在所有條件下都不會(huì)產(chǎn)生褶皺，并且描述了一個(gè)這樣的場(chǎng)景。這一研究也對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)粘性液體中氣泡行為的調(diào)控有著重要的指導(dǎo)意義。
https://science.sciencemag.org/content/369/6504/685
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/aaft-stn080320.php
