出品：科普中國

作者：石暢（物理化學博士）

監制：中國科普博覽

氣泡，作為自然界中普遍存在的物質，頻繁地出現在我們生活中。公園里，孩子們將一根帶孔塑料棒插入溶液中，輕輕一吹，一連串泡泡悠然升起，綻放出短暫的絢爛。廚房里，洗潔精在水流的沖刷下，無數細微的氣泡仿佛精靈般躍動。就是這樣一串串晶瑩剔透的泡泡，不僅給我們的生活增添了色彩，還發揮著重要的作用。

2024年3月20日，中國科學家在《液滴》（《Droplet》）期刊發表一項關于超聲懸浮技術延長氣泡壽命的研究工作。在這一技術加持下，該團隊制備出了“地面上最長壽命氣泡”，保持時間達到23分36秒，這不禁讓我們好奇，氣泡到底是如何形成的呢？我們吹出的泡泡為什么很快就破掉了呢？

塑料棒吹出的泡泡

（圖片來源：veer圖庫）

氣泡——氣液兩相的共存形態

氣泡由氣體和液膜兩部分組成，氣體在受外力的作用時通過小孔進入液體，液體在表面張力的作用下，對氣體形成包裹，從而形成氣泡。

氣體和液體的接觸是產生氣泡的首要條件，小朋友在吹泡泡時，需要將帶孔的塑料棒在溶液中浸一下，用嘴輕輕一吹，氣體就被“裝”進液膜，形成氣泡。我們在燒開水的時候也會觀察到氣泡的生成，這個過程中的氣體從何而來，是誰在“吹”氣泡呢？

水沸騰時的氣泡

（圖片來源：veer圖庫）

其實在加熱過程中，水壺底部溫度較高，靠近底部的水分子會優先掙脫分子間相互作用力的束縛發生汽化變為水蒸氣。此時，燒水壺底部的“微小不規則處”或雜質為氣泡的形成提供了位點，水分子在此聚集形成氣泡。因此，從這個過程來看，氣泡是汽化后的水蒸氣“吹”起來的。

氣泡是水沸騰時的一個現象，但是它也反映出水的沸點。在高海拔的地區燒水時，即使水已經開始沸騰，但溫度卻低于100攝氏度，這是為什么呢？

水沸騰的標志是飽和蒸氣壓與外部大氣壓相同，即產生的氣泡中的氣壓與外部大氣壓相同。當海拔升高時，大氣變得稀薄，導致大氣壓降低，水的沸騰也會提前。

戶外燒水壺

（圖片來源：veer圖庫）

相關研究表明，海拔每上升300米，水的沸點大約要下降1攝氏度。珠穆朗瑪峰的海拔約為8848米，那里水的沸點僅為70攝氏度左右，如果你登上珠穆朗瑪峰，煮面的時候可能要多放些水，并且需要更長的時間。

空間站燒水，能燒開嗎？

2022年3月23日下午，神舟十三號乘組航天員翟志剛、王亞平和葉光富在中國空間站成功講授了“天宮課堂”第二課，吸引了海內外觀眾的廣泛關注。

在天地互動環節，來自西藏拉薩地面分課堂的同學想知道在空間站上能否把水燒開。航天員老師王亞平給出的答案是否定的，空間站上飲用水一般是通過特定的加熱裝置加熱后再喝，并不能和地面一樣直接燒開。

空間站

（圖片來源：veer圖庫）

這是因為在空間站失重的環境中，水加熱時產生的氣泡難以上浮，氣泡上浮引起的對流和氣泡擾動作用被抑制，水溫的升高只能依靠熱傳導，遠離加熱面的水很難被加熱到100℃，無法達到均勻燒開的狀態。

氣泡存在的最長時間是多少？

無論是水沸騰產生的氣泡，還是洗潔精攪拌產生的氣泡，存在時間基本上都是幾秒鐘，即使是兒童吹泡泡產生的氣泡，存在時間也就幾十秒，那么氣泡存在的最長時間是多少呢？

正常情況下，氣泡由于受到重力的作用，液膜中的液體會向下流動，也就是排液過程，這導致液膜的厚度變得不均勻，氣泡無法長時間穩定存在。為了延長氣泡的壽命，研究者將目光轉向空間站的微重力環境。2014年，歐洲研究人員在空間站中進行了水樣中氣泡的停留實驗，在空間站中震蕩水樣之后，產生的氣泡能夠存在18分鐘，而在地球的水樣經過震蕩之后，產生的氣泡在1秒鐘之后就消失了。

空間站中的氣泡和地球上的氣泡存在時間對比

（圖片來源：參考文獻1）

盡管微重力環境可以抑制氣泡的排液現象，延長氣泡壽命，但其成本極高，并且在空間站中將氣泡與其他研究結合較為困難。而中國科學家在《液滴》（《Droplet》）期刊發表的這項關于超聲懸浮技術延長氣泡壽命的研究工作，揭示了聲懸浮氣泡的超穩定性。

研究者發現，在穩定的聲懸浮狀態下，氣泡液膜的重力被聲輻射力平衡，同時聲輻射力也抵消了氣泡薄膜上的液體靜壓，從而抑制了排液，產生了類似于微重力條件下延長氣泡壽命的效果。

聲懸浮條件下，十二烷基硫酸鈉（SDS）氣泡（a）和純水氣泡（b）的存在時間對比

（圖片來源：參考文獻2）

結果表明，利用十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液產生的氣泡壽命超過15分鐘，即使是沒有添加表面活性劑的純水氣泡，壽命也達到7分鐘。此外，聲輻射力還可以穩定其他外部擾動。一個懸浮的氣泡可以在被直徑為0.8毫米的熱銅針（約50攝氏度）穿透時保持不破裂。利用該技術，團隊制備出了“地面上最長壽命氣泡”，保持時間達到23分36秒。

延長氣泡壽命有什么應用價值？

一是作為微反應器和催化劑載體，在化學合成和材料科學中，穩定的氣泡作為微反應器能夠提供大的氣液接觸面積，從而提高傳質效率和反應速率。此外，氣泡表面可以吸附催化劑，用于環境修復和綠色化學合成。

化學反應中的氣泡

（圖片來源：參考文獻2）

二是用于熱交換和能量轉換系統，在熱管和散熱系統中，穩定的氣泡可以減少熱阻，提高設備的熱管理能力。此外，氣泡的振蕩和共振特性也可以用于能量收集和轉換設備，如聲能轉換系統。

三是用于基礎物理研究，穩定的氣泡為研究液體的表面張力、粘性和流動性提供了理想的實驗模型。通過觀察氣泡在聲場中的行為，可以更深入地理解氣泡。

結語

看似普通的氣泡，卻給我們的生活帶來諸多樂趣與便利。在科學家的眼里，微小的事物往往蘊含著重要的原理和應用潛力。用科學的眼睛看世界，你會發現，生活中處處都是有趣的科學！

參考文獻：

1.Langevin, Dominique. Aqueous foams and foam films stabilised by surfactants. Gravity-free studies[J]. Comptes Rendus Mecanique, 2017.

2.Xiaoliang Ji, Wenxuan Zhong, Kangqi Liu, et al. Extraordinary stability of surfactant-free bubbles suspended in ultrasound[J]. Droplet, 2024.

3.杜王芳,劉鵬,趙建福,等.上中國空間站“燒開水”,揭示沸騰現象中的重力作用機理[J].力學與實踐, 2022.

4.郭雷,張樹生,陳雅群,等.豎直狹縫通道內水沸騰換熱的氣泡動力學研究[J].西安交通大學學報, 2010.

來源: 中國科普博覽

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