世界上最長壽的泡泡：加點東西，生命延長到465天

2022-02-08 07:47

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

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機器之心報道

編輯：張倩

和普通泡泡 1 分鐘的短暫美麗相比，這個泡泡的生命足足延長了 20 萬倍。

十多年前，科幻作家劉慈欣寫過一個有趣的小故事。

故事的主人公是一個叫圓圓的小女孩，她的父母為改善大西北的生態(tài)環(huán)境奉獻了整個青春，但由于供水成本過高，他們辛辛苦苦建立起來的城市——絲路市依然難逃廢棄的命運。

圓圓本人的夢想則比較簡單，她只想吹出一個大大的泡泡。對此，圓圓的爸爸憂心忡忡，因為他認為女兒追求的是美麗、新奇而虛幻的東西。長大之后，圓圓憑借自己學(xué)到的東西創(chuàng)立了一個資產(chǎn)數(shù)億的公司，但她的夢想依然是吹泡泡。為此，她潛心研究與泡泡相關(guān)的技術(shù)，比如新型溶液的研發(fā)與調(diào)制。

最終，她用技術(shù)手段吹出了可以籠罩一座城市的大泡泡，而且任由泡泡里的人拳打腳踢，這個泡泡都不會破?？吹竭@個場景，圓圓的爸爸靈機一動，提出可以用無數(shù)個這樣的泡泡裹帶濕潤空氣進入大西北，拯救絲路市這樣的缺水城市。這一想法被付諸實踐，絲路市很快下起了小雨……

讀完這個故事之后，有網(wǎng)友表示，這似乎是大劉眾多腦洞中比較靠譜的一個，有沒有人真的在研究這東西？

如果「這東西」指的是泡泡的話，那當然有，而且部分研究者已經(jīng)取得了一些突破。

在最近的《流體 - 物理評論》（Physical Review Fluids）雜志上，我們就發(fā)現(xiàn)了這樣一項研究：法國的物理學(xué)家成功地用塑料顆粒、甘油和水制造出了能夠保持很久的泡泡，最久的多達 465 天。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.7.L011601

三種泡泡的壽命對比。a. 肥皂泡：1 分鐘：b. 水煤氣泡：6-9 分鐘；c. 水 / 甘油泡：101 + 天。

長期以來，科學(xué)家們都對泡泡非常感興趣。

2016 年，法國物理學(xué)家提出了一個理論模型，用于描述噴射氣流撞擊肥皂膜時，肥皂泡形成的確切機制。研究人員發(fā)現(xiàn)，泡泡只有在一定速度以上才會形成，而這個速度又取決于氣流的寬度。

2018 年，紐約大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)實驗室的數(shù)學(xué)家又根據(jù)一系列用薄肥皂膜進行的實驗，微調(diào)了吹出完美泡泡的方法。他們得出的結(jié)論是：吹泡泡時最好使用周長為 1.5 英寸（3.8 厘米）的圓管，并以 2.7 英寸 / 秒（6.9 厘米 / 秒）的恒定速度輕輕吹氣。如果速度過快或圓管過粗 / 過細，泡泡就會破裂。

2020 年，物理學(xué)家確定，造出巨大泡泡的一個關(guān)鍵因素是混合不同股長（strand length）的聚合物。這就產(chǎn)生了一種能夠拉伸得足夠薄的肥皂膜，從而在不破裂的情況下形成一個巨大的氣泡。聚合物多股糾纏在一起，就像一個毛團，形成更長的股，不易分開。在正確的組合中，聚合物可以讓肥皂膜達到一個「甜蜜點（sweet spot）」，既粘稠又有彈性——只是彈性不能太大，否則會裂開。改變聚合物的股長可以得到更結(jié)實的肥皂膜。

除了大小，科學(xué)家們對延長泡泡的壽命也非常感興趣。泡泡在自然狀態(tài)下呈現(xiàn)出球體的形狀，這一幾何形狀可以歸功于表面張力（一種由分子吸引產(chǎn)生的力）。表面積越大，維持給定形狀所需的能量就越多，這就是為什么泡泡要呈現(xiàn)表面積最小的形狀：球體。

然而，大多數(shù)泡泡在標準大氣中幾分鐘內(nèi)就會破裂。隨著時間的推移，液體會在重力的作用下向下流動，同時，液體成分慢慢蒸發(fā)，泡泡的「壁」變得越來越薄，泡泡中的小氣泡結(jié)合成更大的氣泡。這兩種效果的結(jié)合叫做「coarsening」。添加某種表面活性劑可以增強薄膜壁，從而防止表面張力將泡泡撕破。但最終，泡泡還是會破。

2017 年，法國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一個由塑料微球制成的球殼可以在微小的體積內(nèi)儲存加壓氣體。物理學(xué)家稱這種物體為「氣體彈珠」。這些氣體彈珠與所謂的液體彈珠有關(guān)，后者是一種涂有微小的、排斥液體的小珠的液滴，這些小珠可以在固體表面滾動而不會破裂。雖然氣體彈珠的機械特性已經(jīng)是幾項研究的主題，但是還沒有人進行實驗來探索這種彈珠的壽命。

所以法國里爾大學(xué)的 Aymeric Roux 和他的幾個同事決定填補這項空白。他們用三種不同的泡泡做實驗：標準肥皂泡、用水制成的氣體彈珠和用水和甘油制成的氣體彈珠。

為了制造他們的氣體彈珠，Roux 等人將塑料顆粒散布在水浴器的表面，這些顆粒擠在一起形成了一個顆粒筏。然后，研究人員用注射器從顆粒筏正下方注入一點空氣，形成氣泡，并用勺子將氣泡推到筏上，直到每個氣泡的整個表面都涂上塑料顆粒。

正如預(yù)期的那樣，標準肥皂泡在一分鐘左右就破裂了。但 Roux 等人發(fā)現(xiàn)，塑料顆粒涂層顯著減緩了水基氣體彈珠的排水過程，后者在 6 至 60 分鐘之間塌陷。為了進一步延長泡泡的壽命，研究人員還需要減緩蒸發(fā)過程。

所以，他們在水中加入了甘油。作者表示，甘油具有高濃度的羥基，而羥基又與水分子有很強的親和力，產(chǎn)生很強的氫鍵。所以甘油更能從空氣中吸收水分，從而補償蒸發(fā)。水 / 甘油氣體彈珠的持續(xù)時間要長得多：從 5 周到 465 天，這使得研究人員能夠確定水與甘油的最佳比例——這是「長壽」氣體彈珠的完美配方。

此外，研究者不止能造出圓圓的泡泡，還可以造出結(jié)實的復(fù)合液體薄膜，并通過將金屬框浸入覆蓋有一層密集塑料顆粒的液體表面下，將它們塑造成不同的樣子。當金屬框被慢慢地舉回表面時，這個框捕捉到了粒子包裹的薄膜。最值得注意的是，Roux 等人能夠用水 / 甘油液體薄膜構(gòu)建 3D 錐體，而且這個錐體已經(jīng)持續(xù)了 300 多天（目前還沒破）。