物理學家創造“永恆的氣泡”:維持了465天

在近期的一項研究中,科學家使一個氣泡保持了驚人的465天,創造了此類物體的世界紀錄。吹肥皂泡是一件能讓大人和小孩都感到開心的事情,也許是因為這些泡泡本質上是短暫的,幾秒鐘,最多幾分鐘后就會破裂。

物理學家創造“永恆的氣泡”:維持了465天

根據近期發表在《物理評論-流體》(Physical Review Fluids)雜誌上的一篇新論文,法國物理學家已經成功地用塑料顆粒、甘油和水創造了“永恆的氣泡”,其中保持時間最長的氣泡達到了465天。

長期以來,氣泡是物理學家們十分感興趣的課題。例如,2016年,法國物理學家提出了一個理論模型,用來解釋噴射氣流撞擊皂膜時產生肥皂泡的確切機制。研究人員發現,氣泡只有在氣流超過一定速度時才會形成,而這個速度又取決於氣流的寬度。

本質上,皂膜是由液體(多數為水基液體,如肥皂泡)在空氣中形成的薄膜。例如,兩個肥皂泡接觸時,往往會融合成一個,而在中間形成薄膜。泡沫就是由許多皂膜連接而成的網絡狀結構。皂膜有兩層表面,由於表面張力,皂膜會使其表面積最小。

物理學家創造“永恆的氣泡”:維持了465天

2018年,美國紐約大學應用數學實驗室的數學家們利用很薄的皂膜進行了一系列實驗,確定了吹出完美氣泡的方法。他們得出的結論是,最好使用周長為3.8厘米的吹制環,並以穩定的的速度(6.9厘米/秒)輕輕吹氣。如果吹氣速度更高,氣泡就會破裂;如果用更小或更大的吹制環,氣泡也會很快破裂。

2020年,物理學家確定,製造巨大氣泡的關鍵因素之一,是將不同鏈長的聚合物混合起來。這就產生了一種可以拉伸到足夠薄的皂膜,可以形成一個巨大的氣泡而不會破裂。聚合物鏈會纏繞在一起,就像一個毛球,形成不易分開的更長的鏈。在適當的組合下,聚合物可以使皂膜達到一個“最佳點”,既有黏性又有彈性,不會因為伸展程度太大而撕裂。通過改變聚合物鏈的長度,可以獲得更“結實”的皂膜。

科學家們對延長氣泡的壽命也十分感興趣。氣泡自然地呈現球形:一定體積的氣體被非常薄的液體外殼包裹起來,使每個氣泡與相鄰的氣泡之間相互隔開。氣泡的幾何形狀取決於表面張力,這是一種液體分子之間的吸引力,一般比氣體分子之間和液體分子之間的吸引力更大。當表面積越大時,維持某個特定形狀所需的能量就越多,因此氣泡會呈現出表面積最小的形狀:球形。從數學的角度來看,皂膜可以視為極小曲面。

然而,在標準大氣中,大多數氣泡在幾分鐘內就會破裂。隨着時間的推移,重力的作用逐漸使液體向下流動,與此同時,液體成分也會慢慢蒸發。隨着液體量的減少,氣泡的“壁”會變得非常薄,泡沫中的小氣泡逐漸結合成大氣泡。這兩種效應的結合稱為“粗化”。添加某種表面活性劑可以加強將氣泡隔開的液體薄膜壁,從而防止表面張力崩潰。但最終,泡沫仍會不可避免地破裂。

2017年,法國物理學家發現,由塑料微球製成的球形外殼可以用很小的體積來儲存加壓氣體。物理學家把這種物體稱為“氣體彈珠”。這些物體與液體彈珠有關。所謂液體彈珠,是指液滴上包裹着一層微小的、不潤濕的珠子,可以在固體表面滾動而不會破裂。儘管氣體彈珠的力學性能是若干研究的主要對象,但迄今還沒有與氣體彈珠壽命有關的實驗。

物理學家創造“永恆的氣泡”:維持了465天

於是,法國里爾大學的艾默里克·魯克斯及其同事決定填補這個空白。他們用三種不同的氣泡做實驗:標準的肥皂泡、用水製成的氣體彈珠,以及用水和甘油製成的氣體彈珠。魯克斯等人將塑料顆粒撒在水浴槽的表面,使其形成一個顆粒筏。然後,研究人員用注射器在顆粒筏下方注入少量空氣,形成氣泡;然後用一根勺子推動這些氣泡,直到每個氣泡的整個表面都覆蓋上塑料顆粒。

標準的肥皂泡在一分鐘左右就破裂了,正如預期的那樣。但魯克斯等人發現,塑料顆粒塗層顯著中和了水基氣體彈珠的排水過程;這些彈珠要經過6到60分鐘才會坍塌。為了進一步延長壽命,研究人員還需要中和水分蒸發的過程。

因此,他們在水中加入了甘油。研究作者稱,甘油有高濃度的羥基,而羥基又與水分子有很強的親和力,可以形成很強的氫鍵。所以,甘油能從空氣中吸收更多的水分,從而補償氣泡水分的蒸發。水/甘油氣體彈珠的持續時間明顯更長,達到5周至465天,這使研究人員能夠調整水和甘油的最佳比例,最終獲得製造長壽命氣體彈珠的完美配方。

研究人員的工作甚至超出了氣泡的範圍。他們還創造出了結實的複合液體薄膜,並將金屬框架浸入液體表面下,使其形成不同的物體,並在液體表面覆蓋一層密集的塑料顆粒。在金屬框架緩慢上升到液體表面的過程中,會掛上一層到了覆蓋顆粒的薄膜。最值得注意的是,魯克斯等人在水/甘油液體薄膜上構建了一個三維的錐體。現在,這個錐體已經保持了378天(還在繼續)。(任天)