一个泡泡，研究出花样来

泡沫，无处不在，从啤酒上，到洗碗机中，再到金融市场（咳咳……），当然还有孩子们最喜闻乐见的泡泡玩具。尽管这些泡泡看起来平平无奇，但关于它们的讨论一直源源不断。

泡泡。图片来源于网络

据说，小朋友从吹泡泡中获得快乐，科学家研究泡泡背后的物理化学问题，也同样能获得快乐。比如，有的化学家从物理化学角度，发现倒啤酒和香槟时，大约会形成100万个CO₂气泡 ^[1]，并计算了气泡总数与成核位点气腔曲率半径之间的关系（点击阅读详细）。也有化学家从分析化学角度，证明了香槟的气泡中可以起到浓缩数十种有机化合物的作用，随着这些气泡破裂，释放出香槟的香气 ^[2]。

啤酒中CO₂气泡总数与成核气腔半径间的关系。图片来源：ACS Omega ^[1]

物理学家William Thomson则于1887年提出一个猜想，如何将空间划分为体积相等且它们之间的表面积最小的单元，即最有效的泡沫结构。100多年后，两位物理学家Denis Weaire和Robert Phelan于1993年打破了开尔文勋爵提出的最优解，通过计算机模拟了这一猜想的反例——Weaire-Phelan结构 ^[3,4]。该结构估计大家都见过，被用于国家游泳中心——“水立方”的设计。

Weaire-Phelan 结构。图片来源：Wikipedia ^[5]

当然，泡沫还有很多悬而未决的问题，比如，为什么有些泡沫比其他泡沫更不易破裂。就在2020年，波士顿大学的James C. Bird课题组发现，表面张力是导致气泡破裂的决定性因素 ^[6]，颠覆了传统认为重力是决定性因素的认知，并以此荣登Science 杂志封面（点击阅读详细）。而泡泡表面的蒸发，导致了液膜厚度不均、加速变薄，也导致了泡沫最终的破裂 ^[7-11]。同时，蒸发不仅改变膜厚度，还会导致泡沫表面温度变低。

Science杂志封面。图片来源：Science ^[6]

肥皂泡液膜的温度真的会比周围环境低么？近日，法国巴黎萨克雷大学Emmanuelle Rio等研究者在Phys. Rev. Lett.杂志上发表论文，用洗碗液、水和甘油的混合物制造了皂液，并测量了各种环境条件下皂液膜的温度。他们发现皂液膜的温度可能比周围的空气低~8 °C，且甘油的含量会影响这种温差，该工作被选为同期封面文章。

杂志封面。图片来源：Phys. Rev. Lett.

实验设计非常简单，除了洗碗液和水，在皂液中加入甘油，可以调节蒸发速率，大大增加皂液膜的寿命。且甘油的初始浓度越大，蒸发速度越慢，能量损失越小。当甘油浓度大于10%时，薄膜足够稳定，便于记录温度变化曲线。为了测量皂液膜的温度，研究者将热电偶探头连接到数字温度计。在封面图片中，温度探头环的半径为~6 mm，根据重量测量，初始皂液膜厚度为~1 μm。

不同初始甘油浓度（20%和40%）的重量损失曲线。图片来源：Phys. Rev. Lett.

由于皂液蒸发导致了温度下降，因此，不同环境湿度对皂液膜温度影响明显。在低相对湿度（21%）下，20%甘油含量的皂液膜温度下降最明显，达−7.5 °C。不过，随着蒸发的进行，皂液膜和环境之间形成热交换平衡，同时，由于蒸发导致皂液膜中甘油浓度增加，蒸发通量降低，使得膜温度在20~30秒后达到最低温度，随后开始升高，并最终恢复到环境温度。

温度随时间的变化。图片来源：Phys. Rev. Lett.

根据不同相对湿度和甘油含量下的测量数据，绘制最低降低温度曲线，在初始甘油浓度为5%时，皂液膜可以达到最低降温8 °C的冷却效果。

最大冷却效果。图片来源：Phys. Rev. Lett.

作者还提出了一个理论模型，来描述皂液膜形成后的温度下降，该模型与实验结果具有很好的一致性。他们认为这种冷却效应相当重要，在今后的皂液膜动力学研究中必须要仔细考虑，而不可随意忽略。

“如此大的温差可能会影响肥皂泡的稳定性”，论文第一作者François Boulogne博士说，“但是，需要进一步的实验来证实这个想法”^[12]。该研究或许可以帮助泡沫工业制造商更好地控制其产品的稳定性，对于界面工程领域的研究，比如表面活性剂自组装、表面结晶、膜分离、膜寿命以及边缘生长等问题，也有潜在的借鉴意义。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Measurement of the Temperature Decrease in Evaporating Soap Films

François Boulogne, Frédéric Restagno, Emmanuelle Rio

Phys. Rev. Lett., 2022, 129, 268001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.268001

参考文献：

[1] L.-B. Gérard & C. Clara, How Many CO₂ Bubbles in a Glass of Beer? ACS Omega 2021, 6, 9672-9679. DOI: 10.1021/acsomega.1c00256

[2] L.-B. Gérard, et al., Unraveling different chemical fingerprints between a champagne wine and its aerosols. PNAS 2009, 106, 16545-16549. DOI: 10.1073/pnas.0906483106

[3] D. Weaire & R. Phelan, A counter-example to Kelvin's conjecture on minimal surfaces. Phil. Mag. Lett. 1994, 69, 107-110. DOI: 10.1080/09500839408241577

[4] P. Ball, Scientists make the 'perfect' foam. Nature, 2011, DOI: 10.1038/nature.2011.9504 

[5] Weaire–Phelan structure

https://en.wikipedia.org/wiki/Weaire%E2%80%93Phelan_structure 

[6] A. T. Oratis, et al., A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscous bubble collapse upside down. Science 2020, 369, 685-688 DOI: 10.1126/science.aba0593

[7] H. Lhuissier & E. Villermaux, Bursting bubbles. Phys. Fluids 2009, 21, 091111. DOI: 10.1063/1.3200933

[8] M. Pasquet, et al., The impact of physical-chemistry on film thinning in surface bubbles. Soft Matter, 2022, 18, 4536-4542 DOI: 10.1039/D2SM00157H

[9] L. Champougny, et al., Influence of Evaporation on Soap Film Rupture. Langmuir 2018, 34, 3221-3227. DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b04235

[10] J. Miguet, et al., Stability of big surface bubbles: impact of evaporation and bubble size. Soft Matter, 2020, 16, 1082-1090 DOI: 10.1039/C9SM01490J

[11] J. Lamolinairie, et al., Probing foams from the nanometer to the millimeter scale by coupling small-angle neutron scattering, imaging, and electrical conductivity measurements. Soft Matter 2022, 18, 8733-8747. DOI: 10.1039/D2SM01252A

[12] Something Strange Happens to The Temperature Around Freshly Formed Bubbles

https://www.sciencealert.com/something-strange-happens-to-the-temperature-around-freshly-formed-bubbles 

（本文由小希供稿）