才下Nature封面，又上Science封面——气泡的顶刊之旅

大家可能还记得，前不久我们刚介绍了一篇Nature 封面文章，研究人员用肥皂泡和激光，首次在世人面前展示了光的分支流（Nature, 2020, 583, 60-65，点击阅读详细）。

近日的一期Science，气泡再次登上封面，研究的课题也很有意思——气泡到底是怎么破的？

气泡很容易破裂，浮在水面上的气泡，戳一下就会瞬间消失，整个过程以毫秒计。这不仅引起佛经中的感叹——“一切有为法，如梦幻泡影”，也让不少科学家产生了浓厚的兴趣。气泡的物理性质取决于液体的粘度，虽然水泡、肥皂泡破的非常快，但是在非常粘稠的液体中，表面气泡的破裂过程可能会持续整整一秒，这就让研究人员有更多的时间来观察气泡破裂过程的复杂相互作用。

之前的研究中，科学家们做了个有意思的实验。他们在粘性液体表面气泡的顶部戳了一个洞，与肥皂泡一戳就破不同，粘性液体的表面气泡花了将近一秒钟才消失，而且高速摄影机的影像表明，戳出来的洞在这个过程中并没有立刻变大，与之相对，气泡却快速的下沉和收缩，直到变成一个中间有孔的扁平盘。因为孔洞增长的速度不如气泡液膜下降的速度，科学家们于是得出结论，重力是气泡坍塌的主要原因。真的是这样吗？

James C. Bird教授团队重做经典的气泡破裂实验。图片来源：Science

近日，美国波士顿大学James C. Bird教授研究团队重新研究了这个现象，并得出了颠覆传统的结论。他们的实验和理论工作表明，粘性液体表面气泡的表面张力诱发动态屈曲不稳定形成表面起皱现象，进而驱动气泡崩溃、破裂，气泡液体薄膜的坍缩和褶皱形貌的产生与气泡所受重力未呈现相关性。换句话说，表面张力是导致粘性液体表面气泡破裂的决定性因素，而非此前认为的重力。相关论文发表于Science 上，并被选为封面论文。

James C. Bird教授和当期Science 封面。图片来源：Boston University / Science

他们的实验设计也很是巧妙。既然怀疑重力的作用，那么就想办法让气泡“倒立”（液面在上而气泡在下），这样气泡坍塌的方向就正好和重力作用方向相反，如果“倒立”的气泡和正常的气泡（气泡在上而液面在下）的破裂和坍塌过程相差不大，那就能够排除重力的影响。他们选用了硅油作为高粘度液体，先是重做经典的气泡破裂实验；然后把容器倒过来，硅油粘度很大，就算倒过来也不会流出，这让他们可以进行“倒立”气泡的破裂实验。果然，如他们怀疑的那样，无论气泡是否“倒立”，坍塌过程非常相似。而且，就算是把容器竖起来（液面与重力方向平行），坍塌过程也非常相似。

不同方向的粘性液体表面气泡的坍塌。图片来源：Science

“倒立”粘性液体表面气泡的破裂实验。图片来源：Science

当粘性液体表面气泡破裂时，气泡液膜会形成一个不断扩大的孔洞，使内困的气体得以逸出；气体逸出使得液膜表面力学状态失衡，在应力作用下液膜表面呈现褶皱现象（表面起皱）。以往的研究认为，这种液膜表面起皱现象源自于薄膜自身重量及气泡表面孔洞结构几何约束的共同作用，但Bird教授等人的实验证明真正起作用的“另有其人”。Bird教授研究团队通过硅油表面气泡破裂过程的系统研究发现，诱发气泡破裂的作用力中毛细作用力与重力的比值约为80，表明表面张力在气泡破裂过程中起主要作用，而重力的作用几可忽略不计。

液膜厚度及粘度对气泡破裂行为的影响。图片来源：Science

未破裂气泡表面起皱内在机理探究。图片来源：Science

同时，该团队系统研究了决定体系表面张力的两个重要因素——液膜厚度和液体粘度——对气泡破裂过程动力学的影响。液膜厚度、液体粘度决定气泡初始高度与坍塌速度，液体粘度的增加可减缓气泡坍塌。他们也研究了未破裂气泡表面起皱现象的内在物理机制，气泡坍塌过程中产生的横向外压超过了液膜自身表面张力的平滑效应，即两者综合作用产生的应力刺激超过了气泡（液/气）体系的临界起皱压缩应力值，使得体系呈现表面起皱失稳现象。研究团队通过实验数据与理论模型结合对上述机理进行了系统验证。

气泡表面起皱机理的实验与理论模型验证。图片来源：Science

简评

“气泡”这一人们熟知的现象，一方面在日常生活如食品加工、工业应用如多孔材料制备等方面具有广泛的应用，另一方面在玻璃制备、涂层构筑及医疗诊治过程中又需极力避免。这一研究成果，能帮助人们深入、准确地掌握“气泡”的形成及消除的内在机理，以在各个领域更好的利用“起泡”现象。

PS：最近颇有几篇“贴近生活”的顶刊文章，除了这篇之外，还有“刮胡刀为什么会钝”（Science, 2020, 369, 689，点击阅读详细）。笔者在想，还有哪些生活中的现象可以挖掘一下呢？

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscous bubble collapse upside down

Alexandros T. Oratis, John W. M. Bush, Howard A. Stone, James C. Bird*

Science, 2020, 369, 685-688, DOI: 10.1126/science.aba0593