吹泡泡科學指導手冊

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學）

監(jiān)制：中國科普博覽

(資料圖)

五顏六色的肥皂泡在空中飛舞，很可能是每個人都有過的童年記憶。

（圖片來源：Veer圖庫）

其實，氣泡的產(chǎn)生不僅是日常生活中非常普遍的現(xiàn)象，還有很多工業(yè)領域都涉及到氣泡的產(chǎn)生和消除，而且處理這些小小的氣泡，還可能是工業(yè)中的重要環(huán)節(jié)。這也讓科學家們對氣泡有著孩童一樣的興致。

今天這篇文章就來探秘氣泡，同時指導你科學吹泡泡！

肥皂泡的微距攝影，作者Pashminu

（圖片來源：維基百科）

愛你恨你不如研究你

產(chǎn)生氣泡是我們司空見慣的自然現(xiàn)象，但其實氣泡是影響工業(yè)制品質量的重要因素。

例如在對金屬表面進行電鍍處理時，隨著過程的進行，在鍍層表面附近往往會產(chǎn)生大量氣泡，因此需要在配方中加入一定的消泡劑，從而避免鍍層中出現(xiàn)氣孔缺陷。與之類似的是金屬和玻璃的熔煉過程，我們同樣希望能夠通過抑制氣泡，盡量減少金屬鑄件或者玻璃制品中出現(xiàn)氣孔影響質量。

鑄件中的氣孔缺陷，作者：Orion Lawlor

（圖片來源：維基百科）

除了對工業(yè)中某個環(huán)節(jié)的影響，自然界中的氣泡有可能還會給人“找麻煩”。

我們經(jīng)常能夠觀察到大量泡沫漂浮在湖泊這樣流動性較差的自然水體的水面上。這些泡沫中含有豐富的表面活性物質，因此不容易破碎。它們漂浮在水面上會對水中漂浮著的懸濁物以及微生物等產(chǎn)生強烈吸附作用。

這些泡沫可不像表面看起來那么無害。如果這片泡沫正巧出現(xiàn)在被污染的水體之上，這些泡沫在破碎時，會向周圍釋放大量的氣溶膠，從而造成湖泊周邊也被污染的后果。因此水體排污處理過程中，往往最先進行的就是打撈表面的浮沫。

美國南加州的一條污染河流，大量白色泡沫清晰可見

（圖片來源：維基百科）

泡沫很多時候是我們的麻煩，但很多時候又可能是我們的朋友。

和消泡劑相反，發(fā)泡劑是故意讓大量氣體產(chǎn)生的化學藥品。例如在某些塑料的制作過程中，發(fā)泡劑會讓塑料制品中產(chǎn)生大量尺寸均勻的孔洞，這些孔洞可以極大降低成品的密度，從而在減少成本的同時，提供更加輕便的使用體驗。此外，大量的孔隙還有阻隔熱量傳播的效果，因此房屋外墻的隔熱層就經(jīng)常使用發(fā)泡塑料材質；面點制作過程中的發(fā)酵以及發(fā)泡奶油等都是氣泡在生活中的常見應用。

正因為氣泡這么常見的同時，又對生產(chǎn)和生活有著不小的影響，科學家們也從數(shù)百年前就開始研究氣泡了。數(shù)學家們會利用氣泡來探尋空間中物體的體積和表面積之間的相關規(guī)律，比如相同表面積下的最大建筑空間；化學家們會研究氣泡相關的化學性質，比如研制新的表面活性劑成分；而物理學家們則會嘗試描述肥皂泡的行為，例如它們的蒸發(fā)和破損等等。

應用了氣泡設計元素的“水立方”，作者：Charlie fong

（圖片來源：維基百科）

泡泡新發(fā)現(xiàn)，人類有望吹出“完美泡泡”？

近日，法國的科學家團隊就發(fā)現(xiàn)了肥皂泡的一些新奇表現(xiàn)。甚至制作出了你想要的那種又大又不容易破裂的“完美泡泡”。

在討論怎么制造出穩(wěn)定的泡泡之前，我們先來看看這個問題：肥皂泡為什么最終都會破碎？

正常狀態(tài)下，肥皂泡產(chǎn)生后都難逃破裂的命運。這是因為肥皂泡本質上是液體形成的薄膜，它在形成后自然要蒸發(fā)，而隨著蒸發(fā)的進行，膜表面的物質越來越少，終歸會有一刻，原本完整的肥皂泡上出現(xiàn)了某些薄弱的點，從而造成整個肥皂泡的破裂。

在之前描述肥皂泡行為的相關物理模型中，科學家們基本都假設肥皂泡的溫度和周圍環(huán)境溫度一致。但法國科學家的這一研究發(fā)現(xiàn)，這個假設并不準確。

他們發(fā)現(xiàn)，肥皂泡在蒸發(fā)時，表面溫度與周圍環(huán)境并非保持一致，而是會有極大下降，而且溫度差還會隨著肥皂泡溶液的成分變動而有所不同。在比較極端的情況下，肥皂泡表面的溫度甚至要比周圍環(huán)境低8℃。

那么我們掌握了這樣一個關鍵的信息之后，是不是就可以輕輕松松制造出更難破裂的氣泡了呢？實際上，法國科學家的研究成果遠遠談不上是建立了肥皂泡穩(wěn)定性的數(shù)學模型，相反，他們的一些實驗結論讓這個模型變得更加復雜了。

簡單說來，法國科學家們的研究還告訴了我們，想要預測某種成分的肥皂泡何時破裂是一個相當有挑戰(zhàn)性的問題，除了需要考慮不同溫度下的蒸發(fā)，還有重力這一影響因素。畢竟，重力是造成肥皂泡膜中的液體逐漸向下方運動，從而使膜上方變薄從而破裂的主要原因。

在零下7℃中凍結的肥皂泡，作者：Larry-pilot，

（圖片來源：維基百科）

“完美泡泡”肥皂液配方曝光

很多人可能有過自己嘗試調配肥皂泡溶液的經(jīng)歷，但實際一試就知道，想要讓肥皂泡個頭大、數(shù)量多而且壽命長，其實并不是一件容易的事情。

假如肥皂泡溶液只是簡單地用了肥皂水或者洗潔精水，雖然確實會有非常豐富的泡沫，但卻很難讓肥皂泡變大，而且泡泡還會很快就破裂。所以，售賣肥皂泡玩具的小販們還真是有些核心競爭力，他們秘而不宣的肥皂泡液配方，其實大有玄機。

小朋友吹肥皂泡

（圖片來源：維基百科）

雖然科學家們很難建立起肥皂泡穩(wěn)定性的數(shù)學模型，不過，主導本次實驗的法國科學家們也為我們準備了一份他們開發(fā)的肥皂泡液配方。利用這一配方，肥皂泡不僅能夠輕易吹到直徑5厘米以上大小，還能夠保持1小時左右！

這份配方包含40毫升洗潔精、100毫升甘油、1克瓜爾膠以及1升水。家里有這些材料的“小朋友”，不妨試試這份來自頂級物理期刊的肥皂泡液配方吧！

參考文獻：

【1】The physics behind building an enduring soap bubble

https://arstechnica.com/science/2023/01/the-physics-behind-building-an-enduring-soap-bubble/

【2】Measurement of the temperature decrease in evaporating soap films

https://arxiv.org/pdf/2212.07104.pdf

【3】泡沫洗手液為什么一按就能出泡沫？

https://k.sina.com.cn/article_5104880035_1304649a3019018m71.html

【4】拿鐵的奶泡持久度，奶油發(fā)泡持久性與鞏固性原理和溫度有關

https://m.gafei.com/views-130207

【5】Bubbles Have an Unexpected Chill

https://physics.aps.org/articles/v15/s173

標簽： 科學家們 周圍環(huán)境