戳不破的泡泡科学小实验原理（不过是破了个泡泡）

　平平无奇的泡泡，有你想不到的神通。

　　

　　带给人快乐的泡泡。| Pixabay.com

　　作者 | 龙浩

　　泡泡可以带给人强烈的快乐，比如吹出五彩斑斓的肥皂泡和不停捏爆泡泡膜。刘慈欣的科幻小说《圆圆的肥皂泡》中，小女孩圆圆也特别喜欢吹泡泡，还梦想着吹出特别特别大的泡泡。然而，她却不止一次被父亲诘问：“你吹泡泡有什么用？”

　　泡泡有什么用？在科学家和工程师眼中，泡泡绝对是平平无奇小天才：它带来了著名建筑“水立方”的设计灵感，它发出的湿罗音为医生诊断病情提供了依据，科学家利用泡泡膜建立的数学模型，还可以预测太阳耀斑发生的位置……

　　

　　国家游泳中心（水立方）| Pixabay.com

　　泡泡的惊人影响力和巨大应用价值正逐渐被发现和发掘。但是，泡泡形成与破裂过程中的许多科学问题仍然困扰着人们，一些公认的观点不断被否定和推翻。

　　泡泡中到底蕴藏了什么特别的科学原理？最近又有哪些关于泡泡的结论被颠覆？泡泡科学能为人类社会发展提供什么呢？

　　泡泡的成因：液体表面张力

　　19世纪末，德国一位名叫艾格尼斯·普克尔（Agnes Pockels）的家庭主妇在厨房里首次测定了液体的表面张力（当时德国不允许女性上大学）。在英国剑桥大学瑞利教授（正是提出“瑞利散射”的瑞利）的帮助下，她的研究成果被推荐发表在学术期刊《Nature》上，在当时的科学界引起了广泛的关注。

　　

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

　　她所研究的表面张力，如同一张可以自我修复回弹的皮肤，是形成泡泡和维持泡泡形状的原因。但是表面张力并不是越大越好。就像纯净水，过大的表面张力会将泡泡撕裂；但如果将肥皂溶入其中变成肥皂水，表面张力就会减小，吹出的泡泡会变得又大又圆。

　　重力还是表面张力？泡泡破裂机制存疑

　　除了泡泡的形成，泡泡的破裂也引人关注。生成或消除泡泡对工业界有重要影响。比如在制造玻璃和有机发光二极管（OLED）显示屏时，消除原料中的气泡可以显著提升产品质量。

　　人们一度以为对泡泡的破裂机理了如指掌：当一个气泡从液体底部逐渐浮升至液体表面，对于水这类低粘度液体形成的泡泡，表面张力会很快将它撕裂；而对于高粘度的液体，人们则认为重力的影响在这类泡泡破裂过程中占主导，而非表面张力。

　　高速摄像机拍摄的慢镜头仿佛也证实了这个观点：粘性泡泡破裂时顶部下沉，像是重力让它坍塌成泡泡饼；然后表面出现褶皱，看起来也像是重力而不是表面张力的作用，因为表面张力总是试图找寻表面积最小的情况。

　　

　　粘性泡泡破裂过程（动图） | Boston University

　　

　　“泡泡饼”表面出现的褶皱。| Oliver McRae, Insidescience.org

　　但是，这个结论隐约有些不对劲：为什么高粘度液体的情况和低粘度液体如此不同，仿佛重力只在粘性泡泡的坍塌中起作用？

　　美国波士顿大学的几位科学家也思考过这个问题，并且通过最近完成的一系列实验，否定了重力在粘性泡泡破裂过程中起主要作用的观点。

　　倒置泡泡：巧妙论证重力的影响

　　实验是怎么做的呢？既然之前的判断认为，重力是粘性泡泡破裂过程的主导因素，那么是否可以把重力换一个方向，然后观察泡泡的破裂过程是否发生变化？

　　当然不行。因为地球上重力的方向没法改变，那只能改变泡泡的方向了。他们让泡泡横过来，或、倒过来，站在泡泡的角度看，就像重力的方向改变了一样。为了防止泡泡方向改变时液体流出，研究人员采用粘度为纯净水100万倍的硅油进行实验。——相比之下，蜂蜜的粘度只有纯净水的3000倍。

　　如果按照先前观点，对于倒置的泡泡，当它破裂时，重力应该把泡泡拉扯的更像鸡蛋而不是坍塌成饼。但是实验结果显示：无论泡泡是正放、横放还是倒置，泡泡破裂时总是首先坍塌成饼，这说明重力在粘性泡泡破裂过程中并没有起到关键作用。

　　当研究人员计算薄膜上的作用力时，也得出了表面张力远大于重力的结论。理论和实验结果都充分证明，表面张力才是粘性泡泡破裂过程的主导因素。

　　

　　倒置的泡泡破裂时，一样先坍塌成饼。| Boston University

　　但破裂泡泡表面出现的褶皱是怎么回事？如果表面张力起主要作用，泡泡表面似乎应该更平坦才对。对此，研究人员表示：泡泡顶部的薄膜比较薄，这里的表面张力可以阻止褶皱形成；但在更厚的泡泡底部，泡泡坍塌造成的收缩足以克服表面张力而形成涟漪。

　　

　　泡泡破裂时的褶皱，是表面收缩产生的涟漪。| BostonUniversity

　　至此，泡泡破裂过程中的表面张力和重力影响效果已经分外明了：无论对低粘度还是高粘度液体，表面张力才是泡泡破裂的主导因素。

　　泡泡破裂：隐秘而重要的过程

　　可是，知道这些又有什么用呢？因为，泡泡充斥着生活、生产的各个角落，泡泡科学正在展现越来越大的潜在应用价值。人们对泡泡的认知越深刻，得到的惊喜就越多。

　　比如，利用泡泡可以提高船速。人们早就发现，帝企鹅在羽翼间储存了大量空气。当它向上游时，就会释放空气，形成大量气泡，使周边水的密度下降，从而让动作更轻盈。受此启发，人们在船的附近制造适量的泡泡，成功减小了行进阻力，提高了船速。

　　

　　泡泡让帝企鹅的动作更轻盈（动图） | Nationalgeographic.com

　　但是，在应用泡泡提速时应特别注意：大量气泡与船体撞击时破裂，会对船体材质造成损伤。

　　不过，正是利用了泡泡破裂的“破坏力”，通过超声波在水中产生大量微小泡泡，人们制造出了摩擦力极强的清洁机器。它被用于各种细小物品（如珠宝首饰）的清洁，还被用在眼镜店里帮助大家清洗眼镜。

　　

　　超声波清洗机通过泡泡变成清洁神器（动图）| Medgadget.com

　　泡泡的破裂，还给医学带来了启示。

　　科学家们观察到，座头鲸在海里游动时会吐出大量泡泡，它们是在排解作为生物体型巅峰的孤独吗？应该不是。大量泡泡的破裂会产生巨大的环绕立体声，困住受惊的鱼群，让它们捕猎更加轻松。这是座头鲸巧用泡泡觅食的重要技能。

　　

　　座头鲸巧用泡泡制造声音，让捕猎更轻松。| Reproduced from Sciencenews.org

　　由此，衍生出了所谓泡泡声学的分支。你一定听过饮水机放水时的泡泡声，泡泡的大小不同，音调也不一致。医生们可以根据气流通过有稀薄分泌物的支气管时气泡破裂的声音（湿罗音），分析病人的肺部状况。

　　医学家们还根据泡泡能裹挟微粒的特性，开发出了用于给药的泡泡疗法。

　　他们将特定的药物分子和金属颗粒附着于泡泡表面，将它们注入血管中。这些泡泡被控制在极其微小的尺度上（0.5~10μm，接近红细胞大小），以保证在进入血液后不会引起血管气泡栓塞。

　　然后，利用磁铁引导泡泡们到达病灶区域，再采用特定频率的超声波击碎泡泡以释放药物。这样，药物将定点作用于体内特定区域，而不影响身体其他部位。

　　泡泡疗法大幅减小了癌症化疗的副作用，已经在肝癌、胰腺癌、前列腺癌等癌症化疗过程中展示了良好效果。——不过作为一项新技术，它的安全性和有效性还有待进一步验证。

　　

　　泡泡疗法用于传送癌症药物。| Reproduced from Physicstoday.com

　　更令人脑洞大开的是，泡泡的相关输运能力，还可以用来调节气候。

　　在血管里，泡泡破裂释放药物，在海洋中，泡泡破裂则会向大气中释放盐类物质和有机物。同时，泡泡还会裹挟二氧化碳和氧气等进入海洋。泡泡连通了大气和海洋，在物质循环中发挥着隐秘而重要的作用，它们帮助海洋呼吸，也对气候产生重要影响。

　　在《圆圆的肥皂泡》中，圆圆最终实现了她的梦想，她成功制造出了巨型肥皂泡，并让泡泡带着湿润的水汽跨越大半个中国，在大西北上空破裂，给西部带来充沛的降水，实现了空中“南水北调”。这虽然是天马行空的想象，但和2018年我国正式启动的“天河工程”有异曲同工之妙。

　　“天河工程”试图通过对大气中水汽含量及“迁徙”路线进行监测，以掌握水汽“迁徙”规律，并在有条件的地区进行人工干预，达到空中调水的目的。这一设想直到现在还被很多人批“荒诞幻想”。但科学的发展谁知道呢？

　　

　　天河工程：通过干预水汽迁徙，实现空中调水。|来自网络

　　以上，都是泡泡破裂的妙处。但是，泡泡破裂也可能释放不好的东西。

　　例如，病毒。远的不说，在新冠肺炎患者支气管分泌物中，由呼吸活动导致的气泡破裂，将产生携带病毒的气溶胶，它是新冠肺炎传播的重要载体之一。而粘性泡泡破裂时产生的如涟漪般的褶皱，也增加了气溶胶中病毒的浓度。它们让疫情防控和诊治都变得困难。这是自然给我们展现的另一面。

　　

　　气溶胶中裹挟着冠状病毒，增加了防控和诊治风险。| Angelo Talia, Shutterstock.com

　　无处不在的泡泡，无限的惊奇

　　开尔文曾说：“如果吹一个肥皂泡并进行观察，你可能会穷尽一生去研究它，然后从中获得一个又一个物理定律。”泡泡已经进入越来越多的应用领域。当然，它也一直在我们身边：

　　大家不妨准备一个笛型和一个碟形玻璃杯，然后倒上香槟酒。稍等片刻，你会惊奇地发现，同样的酒在两个酒杯中的香气和口感竟真的不同。这不是玄学，它的秘密，就藏在不断产生且不断破裂的平平无奇的小泡泡里。

　　

　　笛型杯与碟型杯中的泡泡，让口感不同。| 来自网络

　　参考文献：

　　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’ve-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“十点科学”（ID：Science_10）公众号发布，转载请注明出处。

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