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不過是破了個泡泡,科學家還能研究出個花來?
發布時間:2020-08-27     作者:   來源:科普中國   分享到:

平平無奇的泡泡,有你想不到的神通。

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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:“你吹泡泡有什么用?”

泡泡有什么用?在科學家和工程師眼中,泡泡絕對是平平無奇小天才:它帶來了著名建筑“水立方”的設計靈感,它發出的濕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……

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國家游泳中心(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么特別的科學原理?最近又有哪些關于泡泡的結論被顛覆?泡泡科學能為人類社會發展提供什么呢?

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)的家庭主婦在廚房里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。

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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。但是表面張力并不是越大越好。就像純凈水,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。比如在制造玻璃和有機發光二極管(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,對于水這類低粘度液體形成的泡泡,表面張力會很快將它撕裂;而對于高粘度的液體,人們則認為重力的影響在這類泡泡破裂過程中占主導,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;然后表面出現褶皺,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。

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粘性泡泡破裂過程(動圖) | Boston University

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“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:為什么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,并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

實驗是怎么做的呢?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,那么是否可以把重力換一個方向,然后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,研究人員采用粘度為純凈水100萬倍的硅油進行實驗。——相比之下,蜂蜜的粘度只有純凈水的3000倍。

如果按照先前觀點,對于倒置的泡泡,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并沒有起到關鍵作用。

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于重力的結論。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。

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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么回事?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,這里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。

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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,知道這些又有什么用呢?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。當它向上游時,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,人們在船的附近制造適量的泡泡,成功減小了行進阻力,提高了船速。

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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,人們制造出了摩擦力極強的清潔機器。它被用于各種細小物品(如珠寶首飾)的清潔,還被用在眼鏡店里幫助大家清洗眼鏡。

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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,座頭鯨在海里游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,讓它們捕獵更加輕松。這是座頭鯨巧用泡泡覓食的重要技能。

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座頭鯨巧用泡泡制造聲音,讓捕獵更輕松。| 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(濕羅音),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,開發出了用于給藥的泡泡療法。

他們將特定的藥物分子和金屬顆粒附著于泡泡表面,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),以保證在進入血液后不會引起血管氣泡栓塞。

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

泡泡療法大幅減小了癌癥化療的副作用,已經在肝癌、胰腺癌、前列腺癌等癌癥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。

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泡泡療法用于傳送癌癥藥物。| 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。

在血管里,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,她成功制造出了巨型肥皂泡,并讓泡泡帶著濕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象,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,并在有條件的地區進行人工干預,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?

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天河工程:通過干預水汽遷徙,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。

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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:“如果吹一個肥皂泡并進行觀察,你可能會窮盡一生去研究它,然后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,然后倒上香檳酒。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里。

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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.

文章由“十點科學”(ID:Science_10)公眾號發布,轉載請注明出處。

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