薄膜上的風(fēng)暴

黃曉靜

在當(dāng)今的玩具行業(yè)，一種玩具產(chǎn)品的平均壽命不到18個月。而人類用肥皂水吹泡泡的歷史卻可以追溯到400年前，但這個讓小孩子迷戀的泡泡溶液，多年來卻沒有得到多少改進，盡管如此，如今每年仍以2億瓶的銷量，把其他玩具遠遠拋在身后。只要你肯嘗試，無需繁復(fù)的道具，就會發(fā)現(xiàn)泡泡世界花樣繁多的神奇奧秘。

彩色泡泡

你吹過彩色泡泡嗎?2005年美國《大眾科學(xué)》雜志的最佳發(fā)明大獎就授予了彩色肥皂泡的發(fā)明者提姆·科奧。用肥皂加上水，誰都可以吹出泡泡來。但要吹出彩色泡泡卻不是一件簡單的事情。真正的彩色泡泡，能發(fā)出單一鮮艷的色彩，而不是在太陽光下折射出七彩光線的普通泡泡。

35歲的提姆·科奧來自明尼蘇達州的圣保羅市，他家的廚房里擺滿了超市里能買到的各種洗滌劑和有色液體，有時還會傳出爆炸聲；他的臉上、衣服上、甚至是浴缸里經(jīng)常會染滿各種顏色；他的家人經(jīng)常被迫撤離，因為房子里充滿了有毒氣體。所有這些都是為了實現(xiàn)一個夢想：制造出彩色泡泡。

在嘗試制造彩色泡泡時，提姆·科奧最先想到了色彩鮮艷的果凍粉，他將果凍粉和象牙色的肥皂水混合，結(jié)果什么也沒有得到。

從技術(shù)上來說，給泡泡染色困難重重。因為一個泡泡的外壁主要是夾在兩層表面活化劑分子里的水，厚度只有1英寸(2.54厘米)的百萬分之一。如果將食用色素加入到泡泡溶液中，那些巨大的染料分子會在水中自由浮動，無法與水或者表面活化劑融合，這樣得到的仍然是一個透明的泡泡，只不過底部有一點點顏色罷了。

歷經(jīng)15年時間，提姆·科奧終于發(fā)明了彩色泡泡。制造彩色泡泡的原理其實很簡單，只要找到一種能夠與表面活化劑融合在一起的染料，讓泡泡出現(xiàn)鮮艷的顏色即可。現(xiàn)在提姆·科奧發(fā)明的彩色泡泡不僅有各種顏色，而且假如在你手上破裂時，只要輕輕摩擦雙手，顏色就會立即不見：如果破裂的彩色泡泡粘在了你的襯衫或者地毯上，可以立即用水沖洗或者不理它，因為半小時后染料也會自行消失。

颶風(fēng)來襲

在實驗室里，法國波爾多第一大學(xué)的物理學(xué)家哈密德·凱萊用橡膠管連接在吸液管上，隨時控制肥皂泡膨脹的速度，非常緩慢地吹出一個直徑約10厘米的半球形肥皂泡。然后在肥皂泡底部加熱，同時又給泡泡頂部降溫，形成好似赤道炎熱而兩極寒冷的地球大氣系統(tǒng)。這時紊流在肥皂泡底部生成，由于存在溫度梯度差，它開始往“高緯度”地區(qū)上升，幾秒鐘后就形成了對流漩渦。在肥皂泡破碎之前，能夠觀察到這個“風(fēng)暴”可存在幾分鐘之久。

你也許會問，一個肥皂泡就可以解決氣象學(xué)家和天文學(xué)家的問題嗎?沒錯。液體流動的能量是以漩渦式存在的，兩個小漩渦遭遇后，其中一個會并入到較大的一個漩渦中去。微觀下的大漩渦實際上是由成千上萬個旋臂所組成，它們之間相互圍繞著旋轉(zhuǎn)但卻存在斥力。當(dāng)漩渦增大時，那些旋臂就會變細變長。所以肉眼看到的大型漩渦，在微觀上正代表了液體的流動方式。在膜表面上的那些美麗色彩和花紋看起來簡直和颶風(fēng)一模一樣，它們不僅讓泡泡變得有魅力，更重要的是為人們提供了了解泡泡膜厚度的工具，因為其色彩隨著肥皂膜的厚度而變化。就像颶風(fēng)動輒在地球或其他星球表面綿延數(shù)千千米以上，“風(fēng)暴泡泡”在肥皂泡表面的比率規(guī)模決不下于真實中的颶風(fēng)，甚至在狂躁的漩渦地帶周圍也會出現(xiàn)平靜的風(fēng)眼。

研究小組使用了數(shù)字攝影機，記錄下它們在肥皂膜上的流動速度，接著把從中得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)與幾個颶風(fēng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比。從位移來看，肥皂膜漩渦受到底部熱氣流的沖擊，呈現(xiàn)的是速度為1厘米／秒的隨機運動，相比較而言，颶風(fēng)運動因受地轉(zhuǎn)偏向力影響而顯得明顯許多，兩者似乎相去甚遠。然而，從平均平方位移來看，肥皂膜漩渦和颶風(fēng)的路徑竟擁有相同指數(shù)形式，表現(xiàn)了一種極大的相似度，兩者運動軌跡則十分接近。比如，從一個點到另一個點，都不是直線運動，而是沿著Z字扭扭曲曲行進。這種不規(guī)則的運動早就被氣象學(xué)家注意到了，它是一種經(jīng)典的恒速運動模式，就像顏料液滴在水中擴散一樣。但颶風(fēng)在前進過程中會突然地產(chǎn)生一個加速度，看起來，當(dāng)中有一種普遍性。倘若能夠弄明白其中機制，便可以更有效地防范這種具有破壞性的天氣現(xiàn)象。

終極泡泡

大多數(shù)人可能在幼兒園里就吹過泡泡了，實在是一樁輕松活兒。不過對科學(xué)家而言，要吹出體形劃一、排列整齊的泡泡并沒有想象中容易，因為要控制它們的形成相當(dāng)于是跟表面張力、液體的黏滯性及其復(fù)雜的流動行為所形成的渾沌現(xiàn)象打交道，所以是個非常困難的問題。通過長期研究，科學(xué)家最終想出了一個好方法，用來制造一連串相同規(guī)格的微米泡泡。

他們在一桶液體中浸入一塊金屬平板，上面有一個直徑為110微米的小孔，然后把一根里面充滿空氣的玻璃管插在孔的一側(cè)，同時升高該側(cè)的壓力，把氣體和液體推向另一側(cè)，形成一股包裹著“氣芯”的噴流。由于密度更低，“氣芯”運動得比周圍的液體快，迅速到達金屬板的另一邊變?yōu)橐粋€“氣滴”，隨著它體積增大，就堵住了液流，此時“氣芯”被切斷，一個泡泡出現(xiàn)了。由于這種微型的“交通堵塞事故”發(fā)生得非常有規(guī)律，因此得到的氣泡也十分均勻一致，它們堆積在一起，看起來猶如某種晶體結(jié)構(gòu)一般整齊。通過這個簡單的新方法，人們能夠做出大批量各種性質(zhì)相同的微米級氣泡以供研究，對制藥、食品等學(xué)科領(lǐng)域都很有幫助。

相對于行星的直徑，環(huán)繞在行星外的大氣層顯得非常薄，可視為二維結(jié)構(gòu)。同樣，肥皂泡膜也有此特性。只不過迄今為止，人們還無法建造一個二維風(fēng)洞，而為了吹一個適合研究的肥皂泡，科學(xué)家已經(jīng)走過了近30年的歷程。上世紀80年代，有人觀察到了肥皂泡膜具有很強的流動性，適用于研究流體的性質(zhì)，從此一項吹泡泡競賽就應(yīng)運而生，既大又薄的泡泡成為了研究者競相追逐的目標。

現(xiàn)實中，肥皂泡的壽命都很短，它們會被一顆碰到的灰塵輕易摧毀，或因地心引力使上方的膜不斷變薄而無法長時間維持于空氣中。為了吹一個巨大的泡泡的確讓人絞盡腦汁，后來連精確的幾何學(xué)也上陣了，而且為延長泡泡保存時間的裝置不斷被發(fā)明出來。終極泡泡就在這場競賽中出現(xiàn)了，有人曾經(jīng)做出了一個4層樓高4米寬的肥皂膜，還宣稱如果空間足夠大，可以造出更大的來。

不過，當(dāng)一個又一個巨型泡泡被吹出來之后，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)，雖然在視覺效果上是越大越好，但在物理學(xué)上就會遇到麻煩，面積增大，意味著摩擦力也會增大，將擾亂原本平靜的平面結(jié)構(gòu)。于是，“適度”大小的泡泡又重新回歸。

長壽秘密

吹泡泡是一種非常普通的游戲，自從有了水和表面活化劑，就有了泡泡。表面活化劑是肥皂和其他清潔劑的主要組成成分，它與水結(jié)合能減少液體的表面張力，這使得液體能夠不受阻礙地流過麥桿狀的小管子，遇到空氣后，這些薄膜開始向外擴張，直到最終與小管子分開，形成一個泡泡。也不是所有泡泡都需要肥皂幫忙，在零重力的條件下，甚至可以只用水來制造一個泡泡膜。一次，一位美國宇航員在做實驗時，發(fā)現(xiàn)用不加肥皂的水也可以在細金屬絲圈上制造水膜。在零重力環(huán)境下，當(dāng)他第一次把金屬環(huán)放進水里拿出來的時候，水膜頑強地附著在金屬環(huán)上，形成—個大的水膜。

在廚房里，你不妨也試試這個實驗，在碗里注滿水然后放進可以調(diào)節(jié)大小的金屬環(huán)。你會發(fā)現(xiàn)，不管如何努力，都不可能制造出直徑超過1厘米的水膜。此外，任何輕微的抖動或者微弱的氣流都會使其破裂。然而在零重力環(huán)境下，水膜直徑卻可達5～11厘米，并且相當(dāng)有韌性，能經(jīng)受各種機械手段的折磨，劇烈地搖它、吹它都不會碎。

什么原因讓薄膜在太空中如此堅韌呢?其實答案很簡單。假設(shè)你在地面做了一個水膜，令其與地表平行，它在受到表面張力的同時還受到地球引力，膜的中央下陷松弛，水就會沿著膜的邊緣向中心流動，使中心的水越積越多直至將膜扯破。但如果置身于環(huán)地軌道的空間站，水膜就會在無重力狀態(tài)下自由漂浮，僅僅受到表面張力，中央不會下陷。薄膜甚至可以堅持12小時以上。

當(dāng)然了，就算是在地面上，一般人認為肥皂泡的“壽命”太短這一點，也不是完全正確的。如果照顧周到，可以使肥皂泡保存到幾十天。一個水汽飽和的密閉容器就足以延緩蒸發(fā)速度，使泡泡存活更久。據(jù)說，在美國的印第安納州曾有人將一個泡泡保存了341天!如果你有興趣，趁現(xiàn)在就躺在浴缸中，浴室的濕度又比較大，趕緊找只廣口瓶往里面吹一個，然后蓋上蓋密封，看看有沒可能破紀錄。