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世界上最长寿的泡泡：加点东西，生命延长到465天

2022-02-08 07:47

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

机器之心报道

编辑：张倩

和普通泡泡 1 分钟的短暂美丽相比，这个泡泡的生命足足延长了 20 万倍。

十多年前，科幻作家刘慈欣写过一个有趣的小故事。

故事的主人公是一个叫圆圆的小女孩，她的父母为改善大西北的生态环境奉献了整个青春，但由于供水成本过高，他们辛辛苦苦建立起来的城市——丝路市依然难逃废弃的命运。

圆圆本人的梦想则比较简单，她只想吹出一个大大的泡泡。对此，圆圆的爸爸忧心忡忡，因为他认为女儿追求的是美丽、新奇而虚幻的东西。长大之后，圆圆凭借自己学到的东西创立了一个资产数亿的公司，但她的梦想依然是吹泡泡。为此，她潜心研究与泡泡相关的技术，比如新型溶液的研发与调制。

最终，她用技术手段吹出了可以笼罩一座城市的大泡泡，而且任由泡泡里的人拳打脚踢，这个泡泡都不会破。看到这个场景，圆圆的爸爸灵机一动，提出可以用无数个这样的泡泡裹带湿润空气进入大西北，拯救丝路市这样的缺水城市。这一想法被付诸实践，丝路市很快下起了小雨……

读完这个故事之后，有网友表示，这似乎是大刘众多脑洞中比较靠谱的一个，有没有人真的在研究这东西？

如果「这东西」指的是泡泡的话，那当然有，而且部分研究者已经取得了一些突破。

在最近的《流体物理评论》（Physical Review Fluids）杂志上，我们就发现了这样一项研究：法国的物理学家成功地用塑料颗粒、甘油和水制造出了能够保持很久的泡泡，最久的多达 465 天。

论文链接：https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.7.L011601

三种泡泡的寿命对比。a. 肥皂泡：1 分钟：b. 水煤气泡：6-9 分钟；c. 水 / 甘油泡：101 + 天。

长期以来，科学家们都对泡泡非常感兴趣。

2016 年，法国物理学家提出了一个理论模型，用于描述喷射气流撞击肥皂膜时，肥皂泡形成的确切机制。研究人员发现，泡泡只有在一定速度以上才会形成，而这个速度又取决于气流的宽度。

2018 年，纽约大学应用数学实验室的数学家又根据一系列用薄肥皂膜进行的实验，微调了吹出完美泡泡的方法。他们得出的结论是：吹泡泡时最好使用周长为 1.5 英寸（3.8 厘米）的圆管，并以 2.7 英寸 / 秒（6.9 厘米 / 秒）的恒定速度轻轻吹气。如果速度过快或圆管过粗 / 过细，泡泡就会破裂。

2020 年，物理学家确定，造出巨大泡泡的一个关键因素是混合不同股长（strand length）的聚合物。这就产生了一种能够拉伸得足够薄的肥皂膜，从而在不破裂的情况下形成一个巨大的气泡。聚合物多股纠缠在一起，就像一个毛团，形成更长的股，不易分开。在正确的组合中，聚合物可以让肥皂膜达到一个「甜蜜点（sweet spot）」，既粘稠又有弹性——只是弹性不能太大，否则会裂开。改变聚合物的股长可以得到更结实的肥皂膜。

除了大小，科学家们对延长泡泡的寿命也非常感兴趣。泡泡在自然状态下呈现出球体的形状，这一几何形状可以归功于表面张力（一种由分子吸引产生的力）。表面积越大，维持给定形状所需的能量就越多，这就是为什么泡泡要呈现表面积最小的形状：球体。

然而，大多数泡泡在标准大气中几分钟内就会破裂。随着时间的推移，液体会在重力的作用下向下流动，同时，液体成分慢慢蒸发，泡泡的「壁」变得越来越薄，泡泡中的小气泡结合成更大的气泡。这两种效果的结合叫做「coarsening」。添加某种表面活性剂可以增强薄膜壁，从而防止表面张力将泡泡撕破。但最终，泡泡还是会破。

2017 年，法国物理学家发现，一个由塑料微球制成的球壳可以在微小的体积内储存加压气体。物理学家称这种物体为「气体弹珠」。这些气体弹珠与所谓的液体弹珠有关，后者是一种涂有微小的、排斥液体的小珠的液滴，这些小珠可以在固体表面滚动而不会破裂。虽然气体弹珠的机械特性已经是几项研究的主题，但是还没有人进行实验来探索这种弹珠的寿命。

所以法国里尔大学的 Aymeric Roux 和他的几个同事决定填补这项空白。他们用三种不同的泡泡做实验：标准肥皂泡、用水制成的气体弹珠和用水和甘油制成的气体弹珠。

为了制造他们的气体弹珠，Roux 等人将塑料颗粒散布在水浴器的表面，这些颗粒挤在一起形成了一个颗粒筏。然后，研究人员用注射器从颗粒筏正下方注入一点空气，形成气泡，并用勺子将气泡推到筏上，直到每个气泡的整个表面都涂上塑料颗粒。

正如预期的那样，标准肥皂泡在一分钟左右就破裂了。但 Roux 等人发现，塑料颗粒涂层显著减缓了水基气体弹珠的排水过程，后者在 6 至 60 分钟之间塌陷。为了进一步延长泡泡的寿命，研究人员还需要减缓蒸发过程。

所以，他们在水中加入了甘油。作者表示，甘油具有高浓度的羟基，而羟基又与水分子有很强的亲和力，产生很强的氢键。所以甘油更能从空气中吸收水分，从而补偿蒸发。水 / 甘油气体弹珠的持续时间要长得多：从 5 周到 465 天，这使得研究人员能够确定水与甘油的最佳比例——这是「长寿」气体弹珠的完美配方。

此外，研究者不止能造出圆圆的泡泡，还可以造出结实的复合液体薄膜，并通过将金属框浸入覆盖有一层密集塑料颗粒的液体表面下，将它们塑造成不同的样子。当金属框被慢慢地举回表面时，这个框捕捉到了粒子包裹的薄膜。最值得注意的是，Roux 等人能够用水 / 甘油液体薄膜构建 3D 锥体，而且这个锥体已经持续了 300 多天（目前还没破）。