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圖片：一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，既不是完全液體也不是油的粘彈性泡沫在爆裂時(shí)會(huì)類似于盛開的花朵，如這張由高速相機(jī)拍攝的照片所示。

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石油行業(yè)、制藥公司和生物反應(yīng)器制造商都面臨著一個(gè)共同的敵人：泡沫。 在各種液體的制造或運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)形成氣泡，氣泡的形成和破裂會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)重大問(wèn)題。

受到這些問(wèn)題和氣泡背后令人費(fèi)解的物理學(xué)的啟發(fā)，一項(xiàng)國(guó)際科學(xué)合作誕生了。 斯坦福大學(xué)化學(xué)工程師 Gerald Fuller 與他的博士生 Aadithya Kannan 和 Vinny Chandran Suja 以及那不勒斯大學(xué)的訪問(wèn)博士生 Daniele Tammaro 合作研究了不同種類的氣泡是如何破裂的。

研究人員對(duì)表面嵌入蛋白質(zhì)的氣泡特別感興趣，這在制藥行業(yè)和用于細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)器中很常見。 一項(xiàng)出乎意料的結(jié)果顯示，研究人員發(fā)現(xiàn)他們正在研究的蛋白質(zhì)氣泡用針刺破時(shí)會(huì)像花朵一樣張開。 ?7 月 19 日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》雜志上的一項(xiàng)研究詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

?“真正讓我震驚的是，即使經(jīng)過(guò)這么多年的研究，氣泡物理學(xué)仍然以出乎意料的美麗現(xiàn)象讓我們感到驚訝，”Suja 說(shuō)。

爆破泡泡

?氣泡可以以多種方式爆裂，具體取決于它們的物理和化學(xué)特性---一種重要的特性稱為粘彈性。

“我們周圍的大多數(shù)材料實(shí)際上都不像水或橄欖油那樣完全是液體。它們也不是完全有彈性的，就像鉛筆橡皮擦一樣，介于兩者之間，”富勒解釋說(shuō)，他是弗萊徹瓊斯二世的教授。 工程學(xué)院與那不勒斯大學(xué)的 Pier Luca Maffettone 教授共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

這種“中間”狀態(tài)被稱為粘彈性，研究人員發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的肥皂泡不同，具有類似液體和固體特性的粘彈性泡沫會(huì)變形并彈出模仿盛開的花朵的形狀。

但正如 Tammaro 指出的那樣，“用我們的眼睛是不可能看到氣泡破裂時(shí)洞是如何打開的，所以我們只能看到一個(gè)消失的氣泡?！?/span>

因此，研究人員使用以每秒 20,000 幀（比人眼快 300 倍以上）運(yùn)行的高速攝像機(jī)來(lái)捕捉和研究這一現(xiàn)象。

“在撰寫關(guān)于生物藥物制劑中氣泡聚結(jié)的論文時(shí)，我決定通過(guò)我們實(shí)驗(yàn)室的高速相機(jī)觀察氣泡破裂，”Kannan 說(shuō)。 ?“當(dāng)我們這樣做時(shí)，我們看到這個(gè)表面有蛋白質(zhì)的氣泡實(shí)際上表現(xiàn)出與我們傳統(tǒng)預(yù)期的截然不同的破裂機(jī)制?！?/span>

?在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員將金屬環(huán)浸泡在具有粘彈性的蛋白質(zhì)溶液中。 然后，他們使用高度受控的空氣流小心地在這個(gè)環(huán)上充氣。 一旦氣泡足夠大，它們就會(huì)與懸掛的針頭接觸并爆裂。

如視頻所示，當(dāng)氣泡到達(dá)針頭時(shí)，表面會(huì)像花瓣一樣剝落。 發(fā)生這種剝離是因?yàn)楸砻娴恼硰椥允谷芤罕绕胀ǚ试砼菥哂懈囝愃乒腆w的特性。 ?Kannan 將這種特殊的泡沫破滅比作一個(gè)爆裂的氣球，它也像一朵花一樣剝落。

研究氣泡物理學(xué)

?一旦充分觀察到開花現(xiàn)象，研究人員就開始開發(fā)爆裂的分析模型。 利用當(dāng)前的氣泡動(dòng)力學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型，該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中展示了一組有希望的氣泡開花的計(jì)算復(fù)制品。

通過(guò)研究氣泡的形成和破裂，該團(tuán)隊(duì)希望最終了解如何在實(shí)際應(yīng)用中減少氣泡的產(chǎn)生和破裂。 他們預(yù)測(cè)，他們的發(fā)現(xiàn)將應(yīng)用于從醫(yī)學(xué)和疫苗生產(chǎn)到石油運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

?Kannan 總結(jié)道：“看看這有多普遍，以及其他系統(tǒng)的開花有何不同，這真的很重要。”

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