從小吹過泡泡的小伙伴應(yīng)該都知道,在陽光下呈現(xiàn)美麗色彩的肥皂泡絢爛很脆弱?,F(xiàn)在的我們已經(jīng)知道,泡泡的形成,歸因于表面活性劑的加入降低了水的表面張力;而泡泡之所以轉(zhuǎn)瞬即逝,往往是液膜的蒸發(fā)、重力導(dǎo)致的頂部液膜變薄、液膜的表面張力以及異物比如塵埃的侵入等多重原因的結(jié)果,而且由于泡泡內(nèi)部氣體向外部的擴散,泡泡還很容易收縮。說到這里,讓我們開一下腦洞,如果解決了這些問題,短命的泡泡是否能挑戰(zhàn)命運,逆襲成“泡泡恒久遠,一顆永流傳”? 如果結(jié)冰也算給泡泡續(xù)命的方法…近期,法國里爾大學(xué)的研究人員們設(shè)計了一種復(fù)合液膜,解決了上述問題,在標準大氣中成功地將泡泡的壽命從一分鐘延長到一年多。研究人員在泡泡液中添加了聚酰胺-11微顆粒,于是吹出來的泡泡液膜中布滿這種塑料微粒,抑制了重力引起的液面分布不均。他們還添加了甘油用于提高泡泡液膜的穩(wěn)定性,甘油可以吸收空氣中的水分子從而抵消液膜中的水蒸發(fā)。這二者完美配合,使得泡泡可完完整整地在標準大氣中保持超過一年(達465天)。他們還通過非線性模型研究了泡泡液膜的獨特性質(zhì),并可根據(jù)泡泡的初始組成和周圍大氣預(yù)測其命運。這個破紀錄的“最長壽”泡泡發(fā)表在了Physical Review Fluids 上。Nature 雜志官網(wǎng)也為此做了亮點報道(Research Highlight)。[1] 為了吹出壽命更長的泡泡,童心未泯的前人們可謂大費周折,從最基本的改變泡泡配方,到在水蒸氣飽和的氣氛中防止泡泡蒸發(fā)、阻隔粉塵影響、抑制外界機械振動,但由于拉普拉斯超壓(Laplace overpressure)引起的內(nèi)部空氣在外部大氣中的擴散引起的氣泡收縮仍然會發(fā)生。在本項研究中,研究人員將部分潤濕微顆粒添加到泡泡液中,形成具有復(fù)合液膜的泡泡,用來抵抗重力的不利影響。這些泡泡也因而能進行一些“反直覺”的操作,例如在固體表面上滾動,甚至還能夠握在手中。 三種不同類型的泡泡。(a)普通肥皂泡1分鐘就破了;(b)添加微顆粒支撐的泡泡9分鐘后也完全干透;(c)本文提及的長壽命泡泡維持了9個月依然完好如初。 顯然,純水泡泡會隨著水的蒸發(fā)而香消玉殞,在不同環(huán)境濕度下,只是蒸發(fā)的速度不同而已。如果加入不同配比的甘油,情況就會大大不同。甘油與水分子具有很強的親和力,可以與之產(chǎn)生氫鍵,從而具有吸濕性,用來抵消水蒸發(fā)帶來的影響。有趣的是,無論在肥皂水中加入多少比例甘油,最終泡泡中甘油與水的比例都會趨于一個穩(wěn)定的數(shù)值。 文1-2.jpg 純水和水/甘油泡泡在不同濕度環(huán)境下質(zhì)量隨時間的變化 研究人員進一步探究了泡泡中初始甘油質(zhì)量比和相對濕度的關(guān)系。當水/甘油混合物與相對濕度為h的潮濕空氣接觸時,它將趨向于上圖中的藍色虛線代表的平衡甘油質(zhì)量比ωgeq。當初始甘油質(zhì)量比ωgo接近該平衡值時,泡泡會通過蒸發(fā)一些水分(當ωgo<ωgeq時)或從空氣中吸收一些水分(當ωgo>ωgeq時)而朝著最終穩(wěn)定的平衡狀態(tài)演化,這種情況下,泡泡的壽命大大延長。不過,若初始甘油質(zhì)量比離該平衡值太遠,泡泡同樣還會是“命不久矣”。 初始甘油質(zhì)量比和相對濕度的復(fù)雜關(guān)系決定著泡泡的命運。 研究人員建立了一個數(shù)學(xué)模型來定量再現(xiàn)這種質(zhì)量演變趨勢。泡泡的質(zhì)量ml由水蒸發(fā)通量和甘油的吸水通量之間的平衡來決定,而水蒸發(fā)通量則與氣泡表面存在的水分子量成正比,并且由蒸汽濃度梯度驅(qū)動。最終模型可以很好的擬合上圖中的質(zhì)量演變曲線,根據(jù)初始甘油濃度ωgo和相對濕度h推導(dǎo)出短命泡泡和長壽泡泡之間過渡的標準。附著在金屬框架上的液體薄膜的壽命。(a)普通肥皂泡平面液膜;(b)覆蓋有部分潤濕微顆粒的液膜;(c)覆蓋有微顆粒的水/甘油液膜;(d)覆蓋有微顆粒的水/甘油金字塔形液膜。 這種簡單策略下產(chǎn)生的長壽泡泡對空氣中的灰塵等刺激物不敏感,并且在泡泡壽命周期中也沒有觀察到半徑改變,這表明由于拉普拉斯超壓引起的收縮也得以抑制。此外,在標準大氣中保持達465天的這個破紀錄的“最長壽”泡泡,泡膜仍是液態(tài),戳破的時候和普通肥皂泡沒什么太大區(qū)別。