气泡在液体中的形成之谜

气泡（黑色）在进入毛细管伊始就已开始分离。

虽然液体中形成气泡的过程与其反向过程非常相似，但涉及的物理原理却大不相同。再者，尽管液滴的尺寸和间距是一致的，但气泡的形成通常是一个更为随机的过程。phys.org网站6月17日报道，美国麻省理工学院和普林斯顿大学的研究人员在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志发文称，在一定条件下，气泡也可以被诱导形成像液滴一样完美匹配的球体。这一新发现可能会对生物医学研究中的微流体设备的开发和石油天然气在地下岩层微孔隙中相互作用的解释有较大意义。论文作者包括麻省理工学院研究生Amir Pahlavan和教授Ruben Juanes等。Juanes解释说，制造具备均匀尺寸和间距的气泡的关键在于将其限制在狭窄的空间内。在大型含液体容器中注入气体，气泡的扩散行为是分散的，而在含液体的毛细管内注入气体，就会定期产生一连串尺寸均一的气泡。这种行为非常统一且具有可预测性。

液滴或气泡的形成过程非常相似：首先，流动物质（空气或水）逐渐伸长，接着连接液滴或气泡与流动物质的“颈部”会变细并断开。离开流动物质的部分会塌缩形成球形。想象一下吹肥皂泡的场景：当你向泡泡环吹气时，肥皂泡会拉长形成袋状并最终离开泡泡环，以肥皂泡的形式飘走。Juanes说：“水滴从水龙头滴落的过程是众所周知的普遍现象。不论滴落液体的黏度、表面张力和水龙头的开度是否不同，你都可以找到彼此之间的关系并建立描述方法。”然而，从某种意义上说，当通过开口将气体注入大型含液体容器时，这个过程就不再具备普遍性。Juanes说：“喷孔不规则等很多因素都会导致气泡的‘断开’方式发生改变。”

Juanes等在新实验中采用黏性流体（如石油）进行了测试。在非密闭空间中，气泡的大小是无法预测的，但当它们被“拘束”在毛细管中时，情况就发生了变化。在一定程度上，管的尺寸和形状变得不太重要，气体通过毛细孔的特性也不再重要，气泡开始变得像水龙头中滴落的水滴一样，大小和间距都比较一致了。Pahlavan说：“我们的研究成果实际上源自两个令人惊讶的故事。第一个故事发生在大约15年前，另一个研究小组在研究大型含液容器中的气泡时发现，气泡的断开过程不具备普遍性，它与实验条件有关联；第二个故事则是我们的发现，气泡被限制在毛细管中时，气泡的断开对实验条件不再那么敏感。”这个观察结果似乎出人意料。从直觉上讲，能够在液体中自由移动的气泡受初始条件的影响似乎会小于被液体包围的气泡，但事实却恰恰相反。Pahlavan说：“虽然这样的研究貌似很深奥，但它的潜在应用价值却很高。控制液体和气泡的形成对于喷墨打印、医学成像和颗粒材料制造都很关键。”

Juanes补充说，在地质构造过程中，气泡的形成可能是“天使”，也可能是“恶魔”。他说：“例如，我们将从发电厂中排放出来的二氧化碳泵入地层深处，并希望它们不会再次进入大气层。在这种情况下，岩石微孔隙中形成的气泡就是一种优势，它可以阻碍流动，使气体停留在固定位置。而在天然气井中的气泡就会让工程师们很头疼，它会阻塞气体流动，大大提高天然气的开采难度。”

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编译：雷鑫宇 

审稿：alone  

责编：唐林芳 

期刊来源：《美国国家科学院院刊》

期刊编号：0027-8424

原文链接：

https://phys.org/news/2019-06-mystery-gas-liquid.html

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