物理学家创造“永恒的气泡”:维持了465天

36氪的朋友们·2022-01-24 15:40
吹肥皂泡是一件能让大人和小孩都感到开心的事情

新浪科技讯 北京时间1月24日消息,据国外媒体报道,在近期的一项研究中,科学家使一个气泡保持了惊人的465天,创造了此类物体的世界纪录。

吹肥皂泡是一件能让大人和小孩都感到开心的事情,也许是因为这些泡泡本质上是短暂的,几秒钟,最多几分钟后就会破裂。根据近期发表在《物理评论-流体》(Physical Review Fluids)杂志上的一篇新论文,法国物理学家已经成功地用塑料颗粒、甘油和水创造了“永恒的气泡”,其中保持时间最长的气泡达到了465天。

长期以来,气泡是物理学家们十分感兴趣的课题。例如,2016年,法国物理学家提出了一个理论模型,用来解释喷射气流撞击皂膜时产生肥皂泡的确切机制。研究人员发现,气泡只有在气流超过一定速度时才会形成,而这个速度又取决于气流的宽度。

本质上,皂膜是由液体(多数为水基液体,如肥皂泡)在空气中形成的薄膜。例如,两个肥皂泡接触时,往往会融合成一个,而在中间形成薄膜。泡沫就是由许多皂膜连接而成的网络状结构。皂膜有两层表面,由于表面张力,皂膜会使其表面积最小。

2018年,美国纽约大学应用数学实验室的数学家们利用很薄的皂膜进行了一系列实验,确定了吹出完美气泡的方法。他们得出的结论是,最好使用周长为3.8厘米的吹制环,并以稳定的的速度(6.9厘米/秒)轻轻吹气。如果吹气速度更高,气泡就会破裂;如果用更小或更大的吹制环,气泡也会很快破裂。

2020年,物理学家确定,制造巨大气泡的关键因素之一,是将不同链长的聚合物混合起来。这就产生了一种可以拉伸到足够薄的皂膜,可以形成一个巨大的气泡而不会破裂。聚合物链会缠绕在一起,就像一个毛球,形成不易分开的更长的链。在适当的组合下,聚合物可以使皂膜达到一个“最佳点”,既有黏性又有弹性,不会因为伸展程度太大而撕裂。通过改变聚合物链的长度,可以获得更“结实”的皂膜。

科学家们对延长气泡的寿命也十分感兴趣。气泡自然地呈现球形:一定体积的气体被非常薄的液体外壳包裹起来,使每个气泡与相邻的气泡之间相互隔开。气泡的几何形状取决于表面张力,这是一种液体分子之间的吸引力,一般比气体分子之间和液体分子之间的吸引力更大。当表面积越大时,维持某个特定形状所需的能量就越多,因此气泡会呈现出表面积最小的形状:球形。从数学的角度来看,皂膜可以视为极小曲面。

然而,在标准大气中,大多数气泡在几分钟内就会破裂。随着时间的推移,重力的作用逐渐使液体向下流动,与此同时,液体成分也会慢慢蒸发。随着液体量的减少,气泡的“壁”会变得非常薄,泡沫中的小气泡逐渐结合成大气泡。这两种效应的结合称为“粗化”。添加某种表面活性剂可以加强将气泡隔开的液体薄膜壁,从而防止表面张力崩溃。但最终,泡沫仍会不可避免地破裂。

2017年,法国物理学家发现,由塑料微球制成的球形外壳可以用很小的体积来储存加压气体。物理学家把这种物体称为“气体弹珠”。这些物体与液体弹珠有关。所谓液体弹珠,是指液滴上包裹着一层微小的、不润湿的珠子,可以在固体表面滚动而不会破裂。尽管气体弹珠的力学性能是若干研究的主要对象,但迄今还没有与气体弹珠寿命有关的实验。

于是,法国里尔大学的艾默里克·鲁克斯及其同事决定填补这个空白。他们用三种不同的气泡做实验:标准的肥皂泡、用水制成的气体弹珠,以及用水和甘油制成的气体弹珠。鲁克斯等人将塑料颗粒撒在水浴槽的表面,使其形成一个颗粒筏。然后,研究人员用注射器在颗粒筏下方注入少量空气,形成气泡;然后用一根勺子推动这些气泡,直到每个气泡的整个表面都覆盖上塑料颗粒。

标准的肥皂泡在一分钟左右就破裂了,正如预期的那样。但鲁克斯等人发现,塑料颗粒涂层显著中和了水基气体弹珠的排水过程;这些弹珠要经过6到60分钟才会坍塌。为了进一步延长寿命,研究人员还需要中和水分蒸发的过程。

因此,他们在水中加入了甘油。研究作者称,甘油有高浓度的羟基,而羟基又与水分子有很强的亲和力,可以形成很强的氢键。所以,甘油能从空气中吸收更多的水分,从而补偿气泡水分的蒸发。水/甘油气体弹珠的持续时间明显更长,达到5周至465天,这使研究人员能够调整水和甘油的最佳比例,最终获得制造长寿命气体弹珠的完美配方。

研究人员的工作甚至超出了气泡的范围。他们还创造出了结实的复合液体薄膜,并将金属框架浸入液体表面下,使其形成不同的物体,并在液体表面覆盖一层密集的塑料颗粒。在金属框架缓慢上升到液体表面的过程中,会挂上一层到了覆盖颗粒的薄膜。最值得注意的是,鲁克斯等人在水/甘油液体薄膜上构建了一个三维的锥体。现在,这个锥体已经保持了378天(还在继续)。

本文来自“新浪科技”,作者:任天,36氪经授权发布。

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