根據Alexandros T. Oratis等人進行的一項研究，最近在《科學》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，麻省理工學院和普林斯頓大學的機械工程，數學和航空航天工程研究團隊演示了氣泡坍塌時形成的有趣波狀圖案。他們在實驗室中使用復雜的照明設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，他們拍攝了從稠密的硅油周圍介質中冒出的微小氣泡。

粘性氣泡的破裂和破裂在自然界和工業(yè)應用中很普遍。這種現象伴隨著產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，但在這項工作中，重力似乎起著令人驚訝的微不足道的作用?；谶@種現象的流體力學，Oratis等人。結果表明，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)和化學應用(包括氣霧劑生產)有關 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用，了解氣泡的形成非常重要。彈性片材在壓縮應力下會起皺，因為它們需要的能量比壓縮所需的能量更少。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，當上升的氣泡到達表面破裂時，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，并由內部的氣體支撐。氣泡破裂過程中產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。結果表明，起皺的不穩(wěn)定性并不特別取決于重力，也沒有實驗上形成的允許被捕獲的氣體從氣泡中逸出的孔的存在。

概念驗證

該小組進行了實驗，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動的。為了驗證該假設，他們進行了一個實驗，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備好并快速旋轉樣品以使其在幾秒鐘內破裂來實現。當倒置時，氣泡膜在頂點處繼續(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者，那么在模擬中可以看到，倒置的氣泡將向下拉長。相反，團隊注意到倒置的氣泡在重力的作用下又恢復了原來的狀態(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—驅動力

為了了解表面張力，現象背后的驅動力，科學家測量了坍塌時間尺度特征的關鍵參數。為此，Oratis等。在實驗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。在這項工作中得出的模型表明，皺紋的數量如何嚴重取決于引發(fā)氣泡塌陷的孔的大小。在實驗演示期間，研究小組使用毛細管驅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，該實驗結果均符合理論公平的協議。系統(tǒng)中拉應力和壓應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，對較厚的結構進行了另外的實驗，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。在這項工作中得出的模型對于膜最薄的數據有局限性，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)了一種毛細管驅動的塌陷系統(tǒng)，通過可重復作用的薄膜的慣性，壓縮和粘性結合的同時相互作用來引發(fā)動態(tài)屈曲不穩(wěn)定性。這項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，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。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，從而為霧化機理提供更深入的認識。