这群物理学家吹出了“完美泡泡”,还把结果送上了知名期刊

作者: 徐文慧

来源: 科研圈

发布日期: 2018-09-26 15:34:00

纽约大学研究团队设计出完美泡泡的“精确配方”,并发表在《物理评论快报》上。研究揭示了吹泡泡背后的科学原理,包括表面张力、气流压力和液膜形状的影响,以及在日常消费品和工业生产中的应用。

这群物理学家吹出了“完美泡泡”,还把结果送上了知名期刊。泡泡是怎么被吹出来的?怎样才能吹出完美的泡泡呢?这项“老少皆宜”略带梦幻的娱乐活动看似简单,背后的科学却相当复杂。

科学家们对吹泡泡问题探讨了近两个世纪,直到最近,一个来自纽约大学(New York University)的研究团队设计出了完美泡泡的“精确配方”,研究于 8 月 31 日发表在 《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

吹泡泡可不只是简单的娱乐活动,在物理学界,吹泡泡长期以来都是困扰着科学家们的“严肃科学”。早在 19 世纪,比利时物理学家约瑟夫·普拉托(Joseph Plateau )就概述了四条基本的表面张力定律——普拉托定律(Plateau's laws),决定了皂液膜的结构。泡泡呈球形是由于表面张力的存在:对于给定的体积,球形具有最小的表面积,因此需要最少的能量来维持。

20 世纪 40 年代的时候,美国植物学家埃德温·马茨克(Edwin Matzke)在他的实验室里手工制造泡泡,接连制作出的泡泡让他能更好研究它们的结构。更近一些的 1994 年,爱尔兰都柏林大学(University of Dublin)的数学家们用计算机建模来确定最佳几何形状的泡泡;而德国和美国的科学家们则使用声学悬浮,即强大的声波使泡泡悬浮在半空中。

2006 年,哈佛大学(Harvard University)的研究人员发现,在皂液中加入微小的胶体颗粒可以产生一层“膜外膜”作为泡泡的护甲,让产生的泡泡更稳定,并能随意塑造形状。麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的科学家们甚至构建了初步的微流体泡泡逻辑设备,用于运送治疗药物或化学试剂。

就在 2016 年,法国国家科学研究中心(French National Centre for Scientific Research,CNRS)和雷恩大学(University of Rennes)的洛朗·库尔班(Laurent Courbin)和帕斯卡尔·帕尼扎(Pascal Panizza)创建出了一个理论模型,用于测定在气流喷射到皂液膜时形成肥皂泡的机制。

为了测试这个理论模型,库尔班、帕尼扎和同事们建造了一个大型设备,来张开足足一米高的垂直皂液膜。他们发现,只有在喷射气流的压力足够大,使薄膜变形成与喷射器宽度相同的半球形“凹坑”时,才能形成泡泡。

通过一次次的吹泡泡实验,纽约大学(New York University)库朗数学研究所(Courant Institute)应用数学实验室的研究人员发现了两种创造泡泡的方法:一种是用稳定而强劲的风推动圆形的肥皂膜来形成泡泡;另一种是将缓慢而轻柔的风注入小泡泡中,把泡泡慢慢吹大。

在实际的实验中,研究人员并不是在空气中吹肥皂泡,而是在水中 “吹油膜泡泡”:在水中利用水流推动金属圆环张开的油膜形成泡泡。“在控制、测量和观察流速方面,使用水而非空气具有许多优势,” 里斯特罗夫解释说,“这是使实验更顺利进行的一个技巧。”

实验观察结合数学模型的预测,让研究人员得以理解产生薄膜形状的力,甚至得出了吹出完美泡泡的操作技巧。里斯特罗夫表示:“我们现在可以确切地得出推动液膜形成泡泡所需的流速,以及这种流速和金属圈尺寸等数据的相关参数。”

实际上,在我们的日常消费品中,泡泡科学的应用广泛存在。从化妆和农业使用的喷雾,到剃须和护肤需要的泡沫剂和乳液,它们都是互不相容的液态物质组合。研究给出的“完美泡泡配方”,除了指导我们吹出更稳定的泡泡,更有助于理解和优化喷雾和泡沫用品的工业生产。另一个方面,在玻璃制造和液体涂覆过程中,避免气泡的产生也尤为重要,这些都离不开对“吹泡泡”的理解。

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