為什麼泡沫不能逃脫破滅的命運？

作者 七君

你一定用吸管玩過這樣一個遊戲：把吸管插到飲料裡面吹泡泡。

不知道你注意過沒有，不管是在礦泉水還是果汁里吹泡泡，水裡的泡泡一會兒就破了。但是如果在肥皂液里吹泡泡，泡泡就能活得久一些。這是為什麼呢？

這就要從水的性質說起了。

水分子H20是由一個氧原子和2個氫原子結合而成的。氫原子里有1個帶正電荷的質子和1個帶負電荷的電子。氧原子比氫原子要胖得多，它有8個帶正電的質子和8個帶負電荷的電子。

▲ 水分子

氫原子和氧原子形成了氫鍵。不過這個氫鍵吧，它比較特殊，因為氧原子比較胖，它把氫原子的那個電子微微吸引了過去，所以氧原子這裡相當於多帶了一些負電荷，而氫原子因為電子被搶走所以帶了一些正電荷。

水分子因為電荷分布不均勻就變成了一個一邊帶正電，一邊帶負電的分子。許許多多個水分子在一起，就會像小磁鐵一樣互相吸引。一個水分子里少了電子的氫原子會吸引另一個水分子里多了電子的氧原子。

▲ 水分子的極性，紅色是氧原子，藍色是氫原子

這會造成什麼問題呢？

如果在深深的水底，每個水分子都被大量其他水分子包圍著，所以它不會受到某個方向的特別大的拉力。

那麼在水面上又是什麼情況呢？

在水面上的水分子只受到向下的拉力，因為它們的上方沒有水分子嘛。所以和水面下方的水分子相比，它們有和大家抱在一起的勁頭，不容易輕易被外部的力拉扯出去。這種液體表面向內的拉力就叫做表面張力。

▲ 表面張力示意圖：水面附近的水分子受到向水深處的力，這就是表面張力的來源。

因為表面張力的存在，水面就變成了一張具有彈性的薄膜，你可以把它想像成吹得鼓起來的氣球。許多昆蟲能夠站在水面上，就是因為液體表面張力托住了身體輕巧的昆蟲的原因。

說了這麼多表面張力的原理，它和泡泡有什麼關係呢？

我們知道泡泡只出現在液體的表面。泡泡一誕生就會受到液體表面張力的拉扯，因此泡泡會被崩得緊緊的。

▲ 肥皂泡沫的消逝

圖片來源：Saye & Sethian, UC Berkeley/LBNL

不過，泡泡在本質上就是不穩定的。19世紀末的時候，J. W. Gibbs 和 Reyleigh兩位科學家發現，泡泡的液膜並不均勻，一些地方薄一些，一些地方厚一些。

造成這個現象有許多原因，首要原因就是重力。

由於重力的存在，泡泡上的液體分子總是要往下跑，液膜不斷排液，因此泡泡會逐漸變薄，而且液膜會變得不均勻。

當然了，水分子本身也會蒸發，因此泡泡也會因為蒸發而變薄。這也是為什麼在大熱天和風大的時候，泡泡更容易破的原因，因為泡泡里的水分蒸發得更快。

太空中的泡泡

因為重力對泡泡的撕扯，所以航天員們在太空中的重要實驗之一就是吹泡泡。在太空的微重力環境里，泡泡上的液體不容易因為重力下滑，所以保存的時間也久一些。

▲ 在太空里，泡騰片在水裡炸開的樣子

變薄的泡泡會發生什麼事呢？

一旦泡泡上面出現了一個比其他更薄的地方，液體的表面張力就會把這個地方拉得越來越大，最後泡泡就會破裂。（不過，液體本身也有修復薄膜上更薄的地方的自帶功能，但是沒有加入表面活性劑的液體的修復過程沒有排液過程發生得快，泡泡還來不及修復好就破了。）

除了重力以外，讓泡泡破裂的其他次要不可抗力還有很多，比如氣體滲透、氣泡聚並（bubble coalescence）、奧斯瓦爾德熟化（ostwald ripening）等。怎樣科學地戳泡泡，以及把泡泡保持得更久一直是科學家們在研究的問題。

因為純凈水有較大的表面張力，落在純凈水的水面上的泡泡總是不太穩定，一會兒就被巨大的表面張力扯破了。不光是純凈水，實際上任何純凈的液體都不能產生穩定的泡泡。

想要讓泡泡保持地更久，就必須要減少液體表面張力，這樣泡泡就不會被拉扯得太厲害。要怎麼做呢？

肥皂、洗潔精一類的物質都含有表面活性劑，它們可以減少液體表面張力，並且能阻礙液體的流動，使泡泡上最薄最脆弱的地方不會被輕易拉破。如果沒有洗潔精和肥皂，也可以在水裡加一些甘油或者糖，它們也能減少表面張力。

另外，和我們的想像不同，當泡泡破裂的時候，它們並沒有完全消失，而是沿著原本泡泡的邊緣變成了一圈更小的泡泡。

這些小泡泡還會繼續重複這個過程，破裂變成更小的泡泡，更小的泡泡，小的泡泡，的泡泡，泡泡，泡...最後當泡泡變得只有液膜那麼厚的時候，它們就不能繼續爆破了。這個時候，泡泡才算真正地消失。

▲ 大泡泡破了變成一圈小泡泡，小泡泡繼續變小

不管怎麼說，泡沫都不能逃脫破滅的命運。或許美好的東西本質上都是短暫的吧。

圖片來源：Daily Mail, NASA, ESA, Haiku Deck, giphy, wikipedia

參考資料：

Walstra, P. "Principles of foam formation and stability." Foams: Physics, chemistry and structure. Springer, London, 1989. 1-15.

McKetta Jr, John J., ed. Encyclopedia of chemical processing and design. CRC press, 1997.

Encyclopedia of Chemical Processing and Design: volumne23

http://www.nature.com/news/2010/100609/full/news.2010.289.html

http://www.dowcorning.com/content/publishedlit/22-0160-01.pdf

http://umdberg.pbworks.com/w/page/112520035/The%20Laplace%20Bubble%20Law%20%28copy%29

http://docsdrive.com/pdfs/ansinet/jas/2005/1122-1129.pdf

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/255.htm