“全都是泡沫，只一刹的花火”
——邓紫棋《泡沫》
从小吹过泡泡的小伙伴应该都知道，在阳光下呈现美丽色彩的肥皂泡绚烂但脆弱。现在的我们已经知道，泡泡的形成，归因于表面活性剂的加入降低了水的表面张力；而泡泡之所以转瞬即逝，往往是液膜的蒸发、重力导致的顶部液膜变薄、液膜的表面张力以及异物比如尘埃的侵入等多重原因的结果，而且由于泡泡内部气体向外部的扩散，泡泡还很容易收缩。说到这里，让我们开一下脑洞，如果解决了这些问题，短命的泡泡是否能挑战命运，逆袭成“泡泡恒久远，一颗永流传”？
如果结冰也算给泡泡续命的方法…图片来源于网络
近期，法国里尔大学的研究人员们设计了一种复合液膜，解决了上述问题，在标准大气中成功地将泡泡的寿命从一分钟延长到一年多。研究人员在泡泡液中添加了聚酰胺-11微颗粒，于是吹出来的泡泡液膜中布满这种塑料微粒，抑制了重力引起的液面分布不均。他们还添加了甘油用于提高泡泡液膜的稳定性，甘油可以吸收空气中的水分子从而抵消液膜中的水蒸发。这二者完美配合，使得泡泡可完完整整地在标准大气中保持超过一年（达465天）。他们还通过非线性模型研究了泡泡液膜的独特性质，并可根据泡泡的初始组成和周围大气预测其命运。这个破纪录的“最长寿”泡泡发表在了Physical Review Fluids 上。Nature 杂志官网也为此做了亮点报道（Research Highlight）。[1]
为了吹出寿命更长的泡泡，童心未泯的前人们可谓大费周折，从最基本的改变泡泡配方，到在水蒸气饱和的气氛中防止泡泡蒸发、阻隔粉尘影响、抑制外界机械振动，但由于拉普拉斯超压（Laplace overpressure）引起的内部空气在外部大气中的扩散引起的气泡收缩仍然会发生。在本项研究中，研究人员将部分润湿微颗粒添加到泡泡液中，形成具有复合液膜的泡泡，用来抵抗重力的不利影响。这些泡泡也因而能进行一些“反直觉”的操作，例如在固体表面上滚动，甚至还能够握在手中。
三种不同类型的泡泡。（a）普通肥皂泡1分钟就破了；（b）添加微颗粒支撑的泡泡9分钟后也完全干透；（c）本文提及的长寿命泡泡维持了9个月依然完好如初。图片来源：Phys. Rev. Fluids
显然，纯水泡泡会随着水的蒸发而香消玉殒，在不同环境湿度下，只是蒸发的速度不同而已。如果加入不同配比的甘油，情况就会大大不同。甘油与水分子具有很强的亲和力，可以与之产生氢键，从而具有吸湿性，用来抵消水蒸发带来的影响。有趣的是，无论在肥皂水中加入多少比例甘油，最终泡泡中甘油与水的比例都会趋于一个稳定的数值。
纯水和水/甘油泡泡在不同湿度环境下质量随时间的变化。图片来源：Phys. Rev. Fluids
研究人员进一步探究了泡泡中初始甘油质量比和相对湿度的关系。当水/甘油混合物与相对湿度为h的潮湿空气接触时，它将趋向于上图中的蓝色虚线代表的平衡甘油质量比ωgeq。当初始甘油质量比ωgo接近该平衡值时，泡泡会通过蒸发一些水分（当ωgo<ωgeq时）或从空气中吸收一些水分（当ωgo＞ωgeq时）而朝着最终稳定的平衡状态演化，这种情况下，泡泡的寿命大大延长。不过，若初始甘油质量比离该平衡值太远，泡泡同样还会是“命不久矣”。
初始甘油质量比和相对湿度的复杂关系决定着泡泡的命运。图片来源：Phys. Rev. Fluids
研究人员建立了一个数学模型来定量再现这种质量演变趋势。泡泡的质量ml由水蒸发通量和甘油的吸水通量之间的平衡来决定，而水蒸发通量则与气泡表面存在的水分子量成正比，并且由蒸汽浓度梯度驱动。最终模型可以很好的拟合上图中的质量演变曲线，根据初始甘油浓度ωgo和相对湿度h推导出短命泡泡和长寿泡泡之间过渡的标准。
附着在金属框架上的液体薄膜的寿命。（a）普通肥皂泡平面液膜；（b）覆盖有部分润湿微颗粒的液膜；（c）覆盖有微颗粒的水/甘油液膜；（d）覆盖有微颗粒的水/甘油金字塔形液膜。图片来源：Phys. Rev. Fluids
这种简单策略下产生的长寿泡泡对空气中的灰尘等刺激物不敏感，并且在泡泡寿命周期中也没有观察到半径改变，这表明由于拉普拉斯超压引起的收缩也得以抑制。此外，在标准大气中保持达465天的这个破纪录的“最长寿”泡泡，泡膜仍是液态，戳破的时候和普通肥皂泡没什么太大区别。
这真的是个一戳就破的泡泡。图片来源：Phys. Rev. Fluids
Everlasting bubbles and liquid films resisting drainage, evaporation, and nuclei-induced bursting
Aymeric Roux, Alexis Duchesne, and Michael Baudoin
Phys. Rev. Fluids, 2022, 7, L011601, DOI: 10.1103/PhysRevFluids.7.L011601
参考资料：
1. No bursting for these record-breaking bubbles. Nature, 2022, 602, 10
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00172-w
（本文由Silas供稿）
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