根據(jù)Alexandros T. Oratis等人進(jìn)行的一項(xiàng)研究，最近在《科學(xué)》雜志上刊登的專題封面照片描繪了崩潰中的泡沫。波士頓大學(xué)，麻省理工學(xué)院和普林斯頓大學(xué)的機(jī)械工程，數(shù)學(xué)和航空航天工程研究團(tuán)隊(duì)演示了氣泡坍塌時形成的有趣波狀圖案。他們在實(shí)驗(yàn)室中使用復(fù)雜的照明設(shè)置和快速的快門速度，完美地捕捉了短暫的瞬間，在一秒鐘內(nèi)，他們拍攝了從稠密的硅油周圍介質(zhì)中冒出的微小氣泡。

粘性氣泡的破裂和破裂在自然界和工業(yè)應(yīng)用中很普遍。這種現(xiàn)象伴隨著產(chǎn)生徑向皺紋的彈性片。盡管膜的重量似乎在膜塌縮和起皺不穩(wěn)定性中起主要作用，但在這項(xiàng)工作中，重力似乎起著令人驚訝的微不足道的作用?；谶@種現(xiàn)象的流體力學(xué)，Oratis等人。結(jié)果表明，表面張力是破壞過程中引起動態(tài)屈曲不穩(wěn)定性和起皺行為的驅(qū)動因素，并伴隨著彎曲的粘性和粘彈性薄膜的破裂。研究工作與了解工業(yè)和化學(xué)應(yīng)用(包括氣霧劑生產(chǎn))有關(guān) 來自呼吸道的呼氣事件。

薄板起皺

由于氣泡在自然界和工業(yè)應(yīng)用中的普遍性，包括在玻璃制造，噴漆，放射性廢物處置和火山噴發(fā)過程中的氣泡收集等普遍應(yīng)用，了解氣泡的形成非常重要。彈性片材在壓縮應(yīng)力下會起皺，因?yàn)樗鼈冃枰哪芰勘葔嚎s所需的能量更少。在最近的研究中，研究人員專注于理解將薄彈性片材拉伸，戳戳或包裹在彎曲處時發(fā)生的彎曲變形。目的。同樣，當(dāng)上升的氣泡到達(dá)表面破裂時，粘性液體也可能在“降落傘不穩(wěn)定性”過程中彎曲。表面覆蓋后，氣泡由球形帽形式的液體薄膜組成，并由內(nèi)部的氣體支撐。氣泡破裂過程中產(chǎn)生的皺紋是由于薄膜塌縮的重量而造成的，從而使捕獲的氣體逸出。Oratis等。結(jié)果表明，起皺的不穩(wěn)定性并不特別取決于重力，也沒有實(shí)驗(yàn)上形成的允許被捕獲的氣體從氣泡中逸出的孔的存在。

概念驗(yàn)證

該小組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，觀察了硅油浴上坍塌的氣泡中皺紋的形成，以顯示其是由表面張力而不是重力驅(qū)動的。為了驗(yàn)證該假設(shè)，他們進(jìn)行了一個實(shí)驗(yàn)，將氣泡倒置，由于液體粘度，這種方法變得容易。他們通過將氣泡朝上準(zhǔn)備好并快速旋轉(zhuǎn)樣品以使其在幾秒鐘內(nèi)破裂來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)?shù)怪脮r，氣泡膜在頂點(diǎn)處繼續(xù)保持其形狀和厚度。如果重力和粘度是該過程的主要貢獻(xiàn)者，那么在模擬中可以看到，倒置的氣泡將向下拉長。相反，團(tuán)隊(duì)注意到倒置的氣泡在重力的作用下又恢復(fù)了原來的狀態(tài)，而氣泡的最后階段卻形成了皺紋，從而使它們清楚地看到了過程。

表面張力—驅(qū)動力

為了了解表面張力，現(xiàn)象背后的驅(qū)動力，科學(xué)家測量了坍塌時間尺度特征的關(guān)鍵參數(shù)。為此，Oratis等。在實(shí)驗(yàn)過程中使用了各種粘度和不同膜厚的硅油。他們使用高速圖像計算起皺時的代表速度，并增加硅油的粘度，以減慢塌陷。不出所料，更薄的氣泡崩潰得更快。在這項(xiàng)工作中得出的模型表明，皺紋的數(shù)量如何嚴(yán)重取決于引發(fā)氣泡塌陷的孔的大小。在實(shí)驗(yàn)演示期間，研究小組使用毛細(xì)管驅(qū)動裝置消除了整個氣泡表面的壓力差，該裝置不會破壞薄膜，因此，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合理論公平的協(xié)議。系統(tǒng)中拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間的競爭影響了片材中起皺圖案的位置。Oratis等。使用從熔爐中抽出的吹制熔融玻璃，對較厚的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了另外的實(shí)驗(yàn)，使熔融空氣通過吹玻璃管逸出。在此過程中，吹制的玻璃塌陷成皺紋形狀。在這項(xiàng)工作中得出的模型對于膜最薄的數(shù)據(jù)有局限性，在膜最薄的情況下，坍塌非常突然，起皺圖案失去了對稱性，無法覆蓋整個氣泡。此外，該模型預(yù)測在所有情況下都不會發(fā)生皺紋。

Oratis和他的同事以這種方式表明，表面張力而不是重力推動了粘性表面氣泡的破裂。他們開發(fā)了一種毛細(xì)管驅(qū)動的塌陷系統(tǒng)，通過可重復(fù)作用的薄膜的慣性，壓縮和粘性結(jié)合的同時相互作用來引發(fā)動態(tài)屈曲不穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作提出了在快速壓縮過程中具有類似彈性不穩(wěn)定性的粘性薄片。結(jié)果還可以解釋潛在的攜帶病原體的氣溶膠呼出的流體力學(xué)，這些氣溶膠與襯在呼吸道中的粘彈性流體中的薄氣泡膜的破裂有關(guān)。目前的工作表明，僅表面張力可能會在粘性薄膜破裂期間促使屈曲不穩(wěn)定性，從而使這些薄膜折疊并截留空氣，從而為霧化機(jī)理提供更深入的認(rèn)識。