吹泡泡科學(xué)指導(dǎo)手冊(cè)

出品：科普中國(guó)

作者：郭菲（煙臺(tái)大學(xué)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

五顏六色的肥皂泡在空中飛舞，很可能是每個(gè)人都有過的童年記憶。

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

其實(shí)，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(lǐng)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(xué)家們對(duì)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(shí)指導(dǎo)你科學(xué)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(shí)氣泡是影響工業(yè)制品質(zhì)量的重要因素。

例如在對(duì)金屬表面進(jìn)行電鍍處理時(shí)，隨著過程的進(jìn)行，在鍍層表面附近往往會(huì)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(zhì)量。

鑄件中的氣孔缺陷，作者：Orion Lawlor

（圖片來源：維基百科）

除了對(duì)工業(yè)中某個(gè)環(huán)節(jié)的影響，自然界中的氣泡有可能還會(huì)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(dòng)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(zhì)，因此不容易破碎。它們漂浮在水面上會(huì)對(duì)水中漂浮著的懸濁物以及微生物等產(chǎn)生強(qiáng)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(shí)，會(huì)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(jìn)行的就是打撈表面的浮沫。

美國(guó)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(shí)候是我們的麻煩，但很多時(shí)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(xué)藥品。例如在某些塑料的制作過程中，發(fā)泡劑會(huì)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(shí)，提供更加輕便的使用體驗(yàn)。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(zhì)；面點(diǎn)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(yīng)用。

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

應(yīng)用了氣泡設(shè)計(jì)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(guó)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(gè)問題：肥皂泡為什么最終都會(huì)破碎？

正常狀態(tài)下，肥皂泡產(chǎn)生后都難逃破裂的命運(yùn)。這是因?yàn)榉试砼荼举|(zhì)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(jìn)行，膜表面的物質(zhì)越來越少，終歸會(huì)有一刻，原本完整的肥皂泡上出現(xiàn)了某些薄弱的點(diǎn)，從而造成整個(gè)肥皂泡的破裂。

在之前描述肥皂泡行為的相關(guān)物理模型中，科學(xué)家們基本都假設(shè)肥皂泡的溫度和周圍環(huán)境溫度一致。但法國(guó)科學(xué)家的這一研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)假設(shè)并不準(zhǔn)確。

他們發(fā)現(xiàn)，肥皂泡在蒸發(fā)時(shí)，表面溫度與周圍環(huán)境并非保持一致，而是會(huì)有極大下降，而且溫度差還會(huì)隨著肥皂泡溶液的成分變動(dòng)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(gè)關(guān)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(shí)際上，法國(guó)科學(xué)家的研究成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上是建立了肥皂泡穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型，相反，他們的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)論讓這個(gè)模型變得更加復(fù)雜了。

簡(jiǎn)單說來，法國(guó)科學(xué)家們的研究還告訴了我們，想要預(yù)測(cè)某種成分的肥皂泡何時(shí)破裂是一個(gè)相當(dāng)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(yùn)動(dòng)，從而使膜上方變薄從而破裂的主要原因。

在零下7℃中凍結(jié)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(diào)配肥皂泡溶液的經(jīng)歷，但實(shí)際一試就知道，想要讓肥皂泡個(gè)頭大、數(shù)量多而且壽命長(zhǎng)，其實(shí)并不是一件容易的事情。

假如肥皂泡溶液只是簡(jiǎn)單地用了肥皂水或者洗潔精水，雖然確實(shí)會(huì)有非常豐富的泡沫，但卻很難讓肥皂泡變大，而且泡泡還會(huì)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(jìng)爭(zhēng)力，他們秘而不宣的肥皂泡液配方，其實(shí)大有玄機(jī)。

小朋友吹肥皂泡

（圖片來源：維基百科）

雖然科學(xué)家們很難建立起肥皂泡穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型，不過，主導(dǎo)本次實(shí)驗(yàn)的法國(guó)科學(xué)家們也為我們準(zhǔn)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(shí)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(jí)物理期刊的肥皂泡液配方吧！

參考文獻(xiàn)：

【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(guān)

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

【5】Bubbles Have an Unexpected Chill

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

編輯：郭雅欣