捕捉泡泡上的紋路

■吹泡泡想必是許多人心中珍貴的兒時回憶,但不知道大家是否注意過泡泡表面五彩繽紛的紋路,通常它們都是不規則的,但美國史丹佛大學(Stanford University)發現他們能「捕捉」泡泡上的紋路。

Bhamla, M. Saad, and Gerald G. Fuller. "Placing Marangoni instabilities under arrest." Physical Review Fluids 1, no. 5 (2016): 050506.
Bhamla, M. Saad, and Gerald G. Fuller. "Placing Marangoni instabilities under arrest." Physical Review Fluids 1, no. 5 (2016): 050506.

撰文|方程毅

泡泡上產生紋路的原理為「馬倫哥尼效應」(Marangoni effect),簡單來說是兩液體交會時,表面張力強的液體會把張力較弱的液體拉過來,以均衡整個介面的張力。肥皂泡泡是由酯酸鹽類分子及水構成,泡泡形成時,由於各處厚度不均勻,造成表面張力不同,因此酯酸鹽類分子會在泡泡表面移動,以平衡張力,於是形成了帶有顏色卻又奇形怪狀的美麗紋路。形成泡泡時,表面厚度的不均勻通常都隨機無法預測,因此也就難以控制,史丹佛大學化工系教授Gerald Fuller想到一個妙招,讓泡泡上的紋路可以被鎖定(請見影片)。

原理簡述如下:他們將肥皂溶液放在一個含有電動馬達的塑膠容器中,利用浸在溶液中的毛細管在尖端先產生一個約1mm大小的空氣氣泡,電動馬達將毛細管往上推,當氣泡被推出液面時便會形成肥皂泡泡。一開始他們直接把氣泡往上推,表面的紋路會在泡泡向上的過程中隨機移動,影片可以清楚看到形成泡泡時表面紋路的不可預測性;但接著他們改變產生泡泡的方式,推一小段毛細管,停下來,再推一小段,再停下來,重複數次,表面一圈一圈的紋路就會被邊邊新產生的紋路擠到中間,因而不會散掉,就好像他們將紋路一次又一次的捕捉起來關在泡泡中央。

控制泡泡紋路要幹嘛?

又不是吃飽太閒,憑什麼這種研究可以登上科學期刊?研究團隊表示:因為泡泡是研究液體表面現象最簡單的方法。17世紀鼎鼎大名的科學家牛頓便是用泡泡來研究光學,1991年諾貝爾物理學獎得主法國物理學家皮埃爾-吉勒·德熱納(Pierre-Gilles de Gennes) 也曾在諾貝爾講座討論泡泡及界面活性劑的行為。本篇論文作者Gerald Fuller教授過去曾研究配戴隱形眼鏡造成眼睛乾澀、置換新生兒的肺表面張力素,以治療新生兒呼吸窘迫綜合徵(neonatal respiratory distress syndrome,NRDS),這些研究牽扯到生物體,要進行實驗相當困難,因此找到簡單的模型,了解基本機制或許能讓我們更了解複雜的系統。Gerald Fuller教授認為這些研究都能因為更了解泡泡表面流體的運動機制而受益。

 

原始論文及影片出處:Bhamla, M. Saad, and Gerald G. Fuller. "Placing Marangoni instabilities under arrest." Physical Review Fluids 1, no. 5 (2016): 050506.

參考資料:

  1. Stanford engineers stop soap bubbles from swirling
  2. New insights into human tears could lead to more comfortable contact lenses, Stanford researchers say
  3. 傅宗玫, and 陳正平. "冒泡的美."科學發展月刊  29, no. 11 (2001): 788-796.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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