氣泡在液體中的形成之謎

氣泡（黑色）在進入毛細管伊始就已開始分離。

雖然液體中形成氣泡的過程與其反向過程非常相似，但涉及的物理原理卻大不相同。再者，儘管液滴的尺寸和間距是一致的，但氣泡的形成通常是一個更為隨機的過程。phys.org網站6月17日報道，美國麻省理工學院和普林斯頓大學的研究人員在《美國國家科學院院刊》（PNAS）雜誌發文稱，在一定條件下，氣泡也可以被誘導形成像液滴一樣完美匹配的球體。這一新發現可能會對生物醫學研究中的微流體設備的開發和石油天然氣在地下岩層微孔隙中相互作用的解釋有較大意義。論文作者包括麻省理工學院研究生Amir Pahlavan和教授Ruben Juanes等。Juanes解釋說，製造具備均勻尺寸和間距的氣泡的關鍵在於將其限制在狹窄的空間內。在大型含液體容器中注入氣體，氣泡的擴散行為是分散的，而在含液體的毛細管內注入氣體，就會定期產生一連串尺寸均一的氣泡。這種行為非常統一且具有可預測性。

液滴或氣泡的形成過程非常相似：首先，流動物質（空氣或水）逐漸伸長，接著連接液滴或氣泡與流動物質的「頸部」會變細並斷開。離開流動物質的部分會塌縮形成球形。想像一下吹肥皂泡的場景：當你向泡泡環吹氣時，肥皂泡會拉長形成袋狀並最終離開泡泡環，以肥皂泡的形式飄走。Juanes說：「水滴從水龍頭滴落的過程是眾所周知的普遍現象。不論滴落液體的黏度、表面張力和水龍頭的開度是否不同，你都可以找到彼此之間的關係並建立描述方法。」然而，從某種意義上說，當通過開口將氣體注入大型含液體容器時，這個過程就不再具備普遍性。Juanes說：「噴孔不規則等很多因素都會導致氣泡的『斷開』方式發生改變。」

Juanes等在新實驗中採用黏性流體（如石油）進行了測試。在非密閉空間中，氣泡的大小是無法預測的，但當它們被「拘束」在毛細管中時，情況就發生了變化。在一定程度上，管的尺寸和形狀變得不太重要，氣體通過毛細孔的特性也不再重要，氣泡開始變得像水龍頭中滴落的水滴一樣，大小和間距都比較一致了。Pahlavan說：「我們的研究成果實際上源自兩個令人驚訝的故事。第一個故事發生在大約15年前，另一個研究小組在研究大型含液容器中的氣泡時發現，氣泡的斷開過程不具備普遍性，它與實驗條件有關聯；第二個故事則是我們的發現，氣泡被限制在毛細管中時，氣泡的斷開對實驗條件不再那麼敏感。」這個觀察結果似乎出人意料。從直覺上講，能夠在液體中自由移動的氣泡受初始條件的影響似乎會小於被液體包圍的氣泡，但事實卻恰恰相反。Pahlavan說：「雖然這樣的研究貌似很深奧，但它的潛在應用價值卻很高。控制液體和氣泡的形成對於噴墨列印、醫學成像和顆粒材料製造都很關鍵。」

Juanes補充說，在地質構造過程中，氣泡的形成可能是「天使」，也可能是「惡魔」。他說：「例如，我們將從發電廠中排放出來的二氧化碳泵入地層深處，並希望它們不會再次進入大氣層。在這種情況下，岩石微孔隙中形成的氣泡就是一種優勢，它可以阻礙流動，使氣體停留在固定位置。而在天然氣井中的氣泡就會讓工程師們很頭疼，它會阻塞氣體流動，大大提高天然氣的開採難度。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：alone

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