刚刚看到一篇文章似乎和测体积也有点关系 http://pansci.tw/archives/34085 吹肥皂泡大概是多数小朋友喜欢的活动。本来是无色的液体，吹成泡沫就变得五颜六色。 有的很快就破了，有的却可以「存活」很长时间，甚至掉到了头上都不会立刻破开。这， 是为什麽呢？有没有办法让泡沫永远不破呢？ 水之所以形成泡泡，其中的「表面活性剂」居功至伟。表面活性剂是一类结构特别的分子 ，一头喜欢水（称为「亲水端」），一头喜欢空气（叫做「疏水端」）。当我们吹出一个 泡泡，构成泡泡的水膜就形成了两个表面，外面与大气相连，而里面则与泡泡内的空气相 接。水中的表面活性剂会很快地跑到空气和水的表 面上，亲水端呆在水中，疏水端伸到 空气里。在两个表面上各自堆积了一层表面活性剂，就像两层砖墙一样。「砖墙」的中间 ，就是一层水。一个泡泡，就是由表面 活性剂组成的双层「砖墙」夹着一层水组成。 跟普通砖墙不一样的是，其中的水是流动的。所谓水往低处走，水膜中的水也不例外。流 动的结果，泡泡顶端的水越来越少，下面的水越来越多，水膜就变得 上面薄下面厚，就 像物理实验的棱镜一样。而且，因为那两层「砖墙」不坚固，很容易受到周围空气的扰动 而改变厚度。当光线穿过这样的一个「水棱镜」，就被分解成各色的光，还会发生光学上 的「干涉」现象，於是我们就看到了五颜六色的泡泡。 随着泡泡上方水膜中的水逐渐流走，水膜越来越薄。这时候如果遇到一点扰动，水膜就破 开了，泡泡也就「爆炸」了。 所以，要想泡泡「存活」得更久，一种方式就是让膜中的水流得慢一些。水流的速度跟水 的粘度密切相关。越粘的液体，就会流得越慢。增加粘度的物质叫做「增稠剂」。所以， 在肥皂水中加入增稠剂之後，吹出的泡泡就能存活得更久。 另一种则是让两层「砖墙」更加坚固，不容易破裂。一般的表面活性剂是小分子，到了水 和空气的表面也是「有组织，无纪律」，一盘散沙，所以容易破裂。如果是一些大分子， 比如蛋白质也具有亲水和疏水的部位，也可以跑到表面上。到了表面之後，不同分子之间 还会「手拉手、肩并肩」，形成坚固地城墙。受到 外界的扰动，也可以互相支援，从而 不容易破裂。 不过，蛋白质分子个头太大，从水中跑到表面上的速度比较慢。如果用蛋白质水来吹泡泡 的话，还等不及蛋白质分子们跑到表面上形成「分子墙」，泡泡就已经破了。 虽然这样的蛋白质水溶液用来吹泡泡不是个好主意，它们在饮料中却可以大显身手。有一 种咖啡叫「卡布其诺」，表面上有一层泡沫。这层泡沫需要在相当长的时间内——至少在 喝完的这段时间里——保持着洁白细腻的外观，所以表面活性剂产生的那种大而短命的泡 沫就派不上用场。实际上用的是牛奶，其中的牛奶蛋白 具有很好的表面活性。当高温的 水蒸气通入牛奶中，就产生了细密的泡泡。牛奶蛋白的分子在高温下伸展开来，到了空气 和水的表面上，更容易互相连接起来，形成稳定的「城墙」，使得泡泡很难破裂。 比卡布其诺的泡沫更加稳定的是打发奶油。打发奶油是用奶油形成的泡沫。只是因为泡泡 太细小，凭肉眼难以看出它跟通常的泡沫有相似之处。除了其中的蛋 白质可以形成稳定 的「砖墙」外，奶油中的水含量很低，液体的粘度很大。被打发起来之後，「墙」中的水 流动极为缓慢，过了很长的时间水膜还是那麽厚。此外， 奶油中有大量的脂肪颗粒，在 「打发」过程中，这些颗粒接触的地方互相融合 ，形成了像糖葫芦那样的连接状态；而 且一个接一个，形成了「糖葫芦网」，把产生的泡泡固定在其中，就更增加了不同的泡泡 接触融合的难度。一方面是泡泡被隔开难以变薄，另一方面是水膜两侧的「墙」非常稳固 ，所以奶油的泡沫比起卡布其诺的泡沫来，简直可以用「长寿」来形容。 跟打发奶油相比，冰淇淋更是登峰造极。除了奶油中的泡泡难以破裂的那些因素，冰淇淋 在搅拌降温的过程中还会形成大量的小冰粒。这些冰渣也有助於把泡 泡和脂肪可以「支 撑起来」，不许它们互相靠近，所以也就可以存活下去。不过，冰淇淋的这种「长寿」状 态只能在冷冻条件下存在。一旦温度升高，冰粒融化，形成「糖葫芦网」的脂肪颗粒也会 彻底融合，就无法再冻回去了。明白了这些过程，也就不难理解为什麽冰淇淋一旦化了， 再冻上之後口感也完全不同。 所有液体的泡沫都注定要破灭，除非它们在破灭之前被「固化」下来。在食物中，最经典 的例子是蛋糕。蛋糕的「蜂窝」来自於鸡蛋白形成的泡沫。这样的泡沫被混合到蛋糕的其 他原料中，然後送入烤炉。泡沫水膜中的液体往下流，周围的温度迅速升高。鸡蛋白有个 很特别的地方，是极为怕热——达到六十多度，它们就顶不住「化作了山脉」。在烤蛋糕 的时候，蛋白泡沫中的水还来不及流下，就已经随着蛋白变成了固体，永远失去了流动的 能力。 有很多其他的蛋白质也可以产生很好的泡沫。但常见的食用蛋白中，没有哪种可以像鸡蛋 白（或者鸭蛋鹅蛋等各种鸟蛋的蛋白），在很低的温度下就会固化。 其他的蛋白产生了 很好的泡沫，送进去了烤炉，却极为顽强——泡泡们都已经四零八落，它们却还没有变成 固体，也就无法支撑起蛋糕的绵软结构。所以，那些「无蛋蛋糕」，只能通过加入其他成 胶的成分，让泡沫们在覆灭之前，变成固体而永垂不朽。 http://pansci.tw/archives/47396 大多数的人都曾驻足欣赏过肥皂泡的美丽。这颗随着视角幻变五彩色泽、却又容易破灭的 小球，顶多撑个几分钟，就会在瞬间消失无踪。不管是爱吹肥皂泡的小孩，还是享受躺在 浴缸里沉思的大人，都是它的粉丝。 几百年来的物理学家和数学家也不例外，他们做过不少努力来试图了解并预测泡泡的基本 性质。成团的泡泡在数学上更加吸引人，原因是它们之间不只存在简单的几何规则（例如 相邻的泡泡表面夹角只允许若干特别的角度），并且为了使泡泡表面的总面积达到最小， 不同的泡泡会不断移动和改变大小来配合彼此，表现得有如一台合作无间的简易电脑。 最近提出来描述泡泡堆特性的电脑模型，将有助於科学家善用泡泡的物理性质，来发展更 有效的灭火器、脚踏车头盔和其他相关产品。 这个由美国加州大学柏克莱分校两位数学家设计的模型，把泡泡堆的变化分解成三个不同 阶段：首先，泡泡表面的表面张力和空气流动会促使泡泡堆重新排列，以寻找稳定的巨观 结构；接着重力效应不断把肥皂液往下拉，使得这些泡泡的液体薄膜（lamellae）厚度越 来越小；最後当部份泡泡破裂时，整体结构变得不再稳定，泡泡堆又重新回到第一阶段， 如此不断往复。这篇论文发表在5月10日的《科学》。 这三个阶段有各自不同的空间和时间尺度。作者之一的数学教授赛西恩（James Sethian ）表示：「例如泡泡液体薄膜在微观上变薄的速度就非常慢，有时可达数百秒；而泡泡破 裂的速度则高达每秒数百公尺。」电脑模拟泡泡堆的动态变化时，有一项需要克服的主要 技术：如何在忽略那些会拖慢模拟速度的枝节时，还能同时正确捕捉到重要的微观过程。 赛西恩和合作者赛耶（Robert Saye）提出的解决办法是，针对不同的阶段采取不同的手 段。在牵涉到泡泡破裂和液体薄膜厚度变薄的第三阶段，他们放慢模拟速度，并且小心微 观细节；反之，在缓慢的大尺度结构变动时，则睁一眼闭一眼地加快速度。爱尔兰都柏林 三一学院的物理学家维埃尔（Denis Weaire）说：「只要把不同阶段的衔接过程处理好， 各个阶段是可以分开来模拟的。」每一个阶段的模拟结果可以利用程式，逐次输入到下个 阶段，在第三阶段的结果，再送回原始阶段重新模拟──巨观的泡泡堆结构变动决定了微 观的泡泡表面液体如何流失，後者再导致泡泡液体薄膜的瞬间破裂，并因此使泡泡堆失去 平衡，再度变动起来。维埃尔表示，把这些过程分开模拟，「能得到以前的人想像不到的 妙处。」 维埃尔提醒我们，相较於静态的泡泡堆，例如啤酒上头好像「久久不散」的啤酒泡，过去 已经累积不少文献。他和合作者在10多年前就出版过《泡泡堆的物理》（The Physics of Foams）一书，并敦促同事致力於探讨泡泡堆的动态变化，不过维埃尔表示，这一方面 的研究还是大致停滞不前。虽然目前提出来的新模型还有些受限，例如只适用於乾泡泡堆 ，也就是液体含量不高的情形，但他乐观相信这是「朝正确方向迈进的第一步」。 http://pansci.tw/archives/32015 http://pansci.tw/archives/19820 -- 测量泡泡的体积....想必更难了吧 --

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