一项新的研究发现，既不是完全液态也不是完全油状的粘弹性气泡在破裂时就像盛开的花朵，如这张由高速相机拍摄的照片所示。信用:富勒实验室石油行业、制药公司和生物反应器制造商都面临一个共同的敌人:泡沫。在各种液体的制造或运输过程中会形成气泡，气泡的形成和破裂会导致产品质量的重大问题。受到这些问题和气泡背后令人困惑的物理学的启发，一个国际科学合作诞生了。斯坦福大学的化学工程师杰拉尔德·富勒和他的博士生阿迪斯亚·坎南和文尼·钱德朗·苏亚，以及来自那不勒斯大学的客座博士生丹尼尔·塔马罗一起合作，研究不同种类的气泡是如何破裂的。
研究人员对表面嵌有蛋白质的气泡特别感兴趣，这在制药工业和用于细胞培养的生物反应器中很常见。在一个意想不到的结果中，研究人员发现，他们正在研究的蛋白质气泡在用针弹出时会像花朵一样张开。他们的发现在7月19日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中有详细描述。
Suja说:“真正让我震惊的是，即使经过这么多年的研究，气泡物理学仍不断用意想不到的美丽现象让我们感到惊讶。
打破泡沫
气泡可以以各种方式破裂，这取决于它们的物理和化学性质。一个重要的性质叫做粘弹性。
“我们周围的大多数物质实际上并不像水或橄榄油那样完全是液体。它们也没有完美的弹性，就像铅笔橡皮擦一样。富勒解释说，他是工程学院的弗莱彻·琼斯二世教授，与那不勒斯大学的皮尔·卢卡·马费通教授共同领导了这项研究。
这种“介于两者之间”的状态被称为粘弹性，研究人员发现，与传统的肥皂泡不同，同时具有类似液体和固体性质的粘弹性气泡会变形并弹出，形状类似盛开的花朵。
但正如塔玛罗指出的那样，“用我们的眼睛是不可能看到气泡弹出时洞是如何打开的，所以我们只能看到一个消失的气泡。”
因此，研究人员使用每秒20，000帧的高速摄像机来捕捉和研究这一现象，这比人眼快300多倍。
坎南说:“在撰写关于生物药物配方中气泡聚结的论文时，我决定通过我们实验室中的高速摄像机来观察气泡破裂的情况。“当我们这样做时，我们看到这个表面有蛋白质的气泡，实际上表现出了与我们传统预期非常不同的破裂机制。”
在实验室里，研究人员将一个金属环浸泡在具有粘弹性的蛋白质溶液中。然后，他们使用高度受控的气流小心地给这个环上的气泡充气。一旦气泡足够大，它们就会与悬浮的针接触并破裂。
视频显示，当气泡到达针头时，表面会像花瓣一样剥落。这种剥离的发生是因为表面的粘弹性使溶液比普通肥皂泡具有更像固体的特性。坎南把这种特殊的气泡破裂比作一个爆裂的气球，它也会像花一样脱落。
研究气泡物理学
一旦开花现象被充分观察到，研究人员就开始开发爆裂的分析模型。利用气泡动力学和数学模型的现有知识，该团队在他们的论文中展示了一组有希望的气泡开花的计算复制品。
通过研究气泡的形成和破裂，该团队希望最终了解如何在现实应用中减少气泡的产生和破裂。他们预测，他们的发现将应用于从医药、疫苗生产到石油运输等领域。
坎南总结道:“看看这有多普遍，以及开花对其他系统有什么不同，这真的很重要。
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