气泡，作为自然界中普遍存在的物质，频繁地出现在我们生活中。公园里，孩子们将一根带孔塑料棒插入溶液中，轻轻一吹，一连串泡泡悠然升起，绽放出短暂的绚烂。厨房里，洗洁精在水流的冲刷下，无数细微的气泡仿佛精灵般跃动。就是这样一串串晶莹剔透的泡泡，不仅给我们的生活增添了色彩，还发挥着重要的作用。
2024年3月20日，中国科学家在《液滴》（《Droplet》）期刊发表一项关于超声悬浮技术延长气泡寿命的研究工作。在这一技术加持下，该团队制备出了“地面上最长寿命气泡”，保持时间达到23分36秒，这不禁让我们好奇，气泡到底是如何形成的呢？我们吹出的泡泡为什么很快就破掉了呢？
塑料棒吹出的泡泡
（图片来源：veer图库）
气泡——气液两相的共存形态
气泡由气体和液膜两部分组成，气体在受外力的作用时通过小孔进入液体，液体在表面张力的作用下，对气体形成包裹，从而形成气泡。
气体和液体的接触是产生气泡的首要条件，小朋友在吹泡泡时，需要将带孔的塑料棒在溶液中浸一下，用嘴轻轻一吹，气体就被“装”进液膜，形成气泡。我们在烧开水的时候也会观察到气泡的生成，这个过程中的气体从何而来，是谁在“吹”气泡呢？
水沸腾时的气泡
（图片来源：veer图库）
其实在加热过程中，水壶底部温度较高，靠近底部的水分子会优先挣脱分子间相互作用力的束缚发生汽化变为水蒸气。此时，烧水壶底部的“微小不规则处”或杂质为气泡的形成提供了位点，水分子在此聚集形成气泡。因此，从这个过程来看，气泡是汽化后的水蒸气“吹”起来的。
气泡是水沸腾时的一个现象，但是它也反映出水的沸点。在高海拔的地区烧水时，即使水已经开始沸腾，但温度却低于100摄氏度，这是为什么呢？
水沸腾的标志是饱和蒸气压与外部大气压相同，即产生的气泡中的气压与外部大气压相同。当海拔升高时，大气变得稀薄，导致大气压降低，水的沸腾也会提前。
户外烧水壶
（图片来源：veer图库）
相关研究表明，海拔每上升300米，水的沸点大约要下降1摄氏度。珠穆朗玛峰的海拔约为8848米，那里水的沸点仅为70摄氏度左右，如果你登上珠穆朗玛峰，煮面的时候可能要多放些水，并且需要更长的时间。
空间站烧水，能烧开吗？
2022年3月23日下午，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平和叶光富在中国空间站成功讲授了“天宫课堂”第二课，吸引了海内外观众的广泛关注。
在天地互动环节，来自西藏拉萨地面分课堂的同学想知道在空间站上能否把水烧开。航天员老师王亚平给出的答案是否定的，空间站上饮用水一般是通过特定的加热装置加热后再喝，并不能和地面一样直接烧开。
空间站
（图片来源：veer图库）
这是因为在空间站失重的环境中，水加热时产生的气泡难以上浮，气泡上浮引起的对流和气泡扰动作用被抑制，水温的升高只能依靠热传导，远离加热面的水很难被加热到100℃，无法达到均匀烧开的状态。
气泡存在的最长时间是多少？
无论是水沸腾产生的气泡，还是洗洁精搅拌产生的气泡，存在时间基本上都是几秒钟，即使是儿童吹泡泡产生的气泡，存在时间也就几十秒，那么气泡存在的最长时间是多少呢？
正常情况下，气泡由于受到重力的作用，液膜中的液体会向下流动，也就是排液过程，这导致液膜的厚度变得不均匀，气泡无法长时间稳定存在。为了延长气泡的寿命，研究者将目光转向空间站的微重力环境。2014年，欧洲研究人员在空间站中进行了水样中气泡的停留实验，在空间站中震荡水样之后，产生的气泡能够存在18分钟，而在地球的水样经过震荡之后，产生的气泡在1秒钟之后就消失了。
空间站中的气泡和地球上的气泡存在时间对比
（图片来源：参考文献1）
尽管微重力环境可以抑制气泡的排液现象，延长气泡寿命，但其成本极高，并且在空间站中将气泡与其他研究结合较为困难。而中国科学家在《液滴》（《Droplet》）期刊发表的这项关于超声悬浮技术延长气泡寿命的研究工作，揭示了声悬浮气泡的超稳定性。
研究者发现，在稳定的声悬浮状态下，气泡液膜的重力被声辐射力平衡，同时声辐射力也抵消了气泡薄膜上的液体静压，从而抑制了排液，产生了类似于微重力条件下延长气泡寿命的效果。
声悬浮条件下，十二烷基硫酸钠（SDS）气泡（a）和纯水气泡（b）的存在时间对比
（图片来源：参考文献2）
结果表明，利用十二烷基硫酸钠（SDS）溶液产生的气泡寿命超过15分钟，即使是没有添加表面活性剂的纯水气泡，寿命也达到7分钟。此外，声辐射力还可以稳定其他外部扰动。一个悬浮的气泡可以在被直径为0.8毫米的热铜针（约50摄氏度）穿透时保持不破裂。利用该技术，团队制备出了“地面上最长寿命气泡”，保持时间达到23分36秒。
延长气泡寿命有什么应用价值？
一是作为微反应器和催化剂载体，在化学合成和材料科学中，稳定的气泡作为微反应器能够提供大的气液接触面积，从而提高传质效率和反应速率。此外，气泡表面可以吸附催化剂，用于环境修复和绿色化学合成。
化学反应中的气泡
（图片来源：参考文献2）
二是用于热交换和能量转换系统，在热管和散热系统中，稳定的气泡可以减少热阻，提高设备的热管理能力。此外，气泡的振荡和共振特性也可以用于能量收集和转换设备，如声能转换系统。
三是用于基础物理研究，稳定的气泡为研究液体的表面张力、粘性和流动性提供了理想的实验模型。通过观察气泡在声场中的行为，可以更深入地理解气泡。
结语
看似普通的气泡，却给我们的生活带来诸多乐趣与便利。在科学家的眼里，微小的事物往往蕴含着重要的原理和应用潜力。用科学的眼睛看世界，你会发现，生活中处处都是有趣的科学！
参考文献：
Langevin, Dominique. Aqueous foams and foam films stabilised by surfactants. Gravity-free studies[J]. Comptes Rendus Mecanique, 2017.
Xiaoliang Ji, Wenxuan Zhong, Kangqi Liu, et al. Extraordinary stability of surfactant-free bubbles suspended in ultrasound[J]. Droplet, 2024.
杜王芳,刘鹏,赵建福,等.上中国空间站“烧开水”,揭示沸腾现象中的重力作用机理[J].力学与实践, 2022.
郭雷,张树生,陈雅群,等.竖直狭缝通道内水沸腾换热的气泡动力学研究[J].西安交通大学学报, 2010.
出品：科普中国
作者：石畅（物理化学博士）
监制：中国科普博览