图片：一项新研究发现，既不是完全液体也不是油的粘弹性泡沫在爆裂时会类似于盛开的花朵，如这张由高速相机拍摄的照片所示。

石油行业、制药公司和生物反应器制造商都面临着一个共同的敌人：泡沫。 在各种液体的制造或运输过程中会形成气泡，气泡的形成和破裂会导致产品质量出现重大问题。

受到这些问题和气泡背后令人费解的物理学的启发，一项国际科学合作诞生了。 斯坦福大学化学工程师 Gerald Fuller 与他的博士生 Aadithya Kannan 和 Vinny Chandran Suja 以及那不勒斯大学的访问博士生 Daniele Tammaro 合作研究了不同种类的气泡是如何破裂的。

研究人员对表面嵌入蛋白质的气泡特别感兴趣，这在制药行业和用于细胞培养的生物反应器中很常见。 一项出乎意料的结果显示，研究人员发现他们正在研究的蛋白质气泡用针刺破时会像花朵一样张开。  7 月 19 日发表在《美国国家科学院院刊》杂志上的一项研究详细介绍了他们的发现。

 “真正让我震惊的是，即使经过这么多年的研究，气泡物理学仍然以出乎意料的美丽现象让我们感到惊讶，”Suja 说。

爆破泡泡

 气泡可以以多种方式爆裂，具体取决于它们的物理和化学特性---一种重要的特性称为粘弹性。

“我们周围的大多数材料实际上都不像水或橄榄油那样完全是液体。它们也不是完全有弹性的，就像铅笔橡皮擦一样，介于两者之间，”富勒解释说，他是弗莱彻琼斯二世的教授。 工程学院与那不勒斯大学的 Pier Luca Maffettone 教授共同领导了这项研究。

这种“中间”状态被称为粘弹性，研究人员发现，与传统的肥皂泡不同，具有类似液体和固体特性的粘弹性泡沫会变形并弹出模仿盛开的花朵的形状。

但正如 Tammaro 指出的那样，“用我们的眼睛是不可能看到气泡破裂时洞是如何打开的，所以我们只能看到一个消失的气泡。”

因此，研究人员使用以每秒 20,000 帧（比人眼快 300 倍以上）运行的高速摄像机来捕捉和研究这一现象。

“在撰写关于生物药物制剂中气泡聚结的论文时，我决定通过我们实验室的高速相机观察气泡破裂，”Kannan 说。  “当我们这样做时，我们看到这个表面有蛋白质的气泡实际上表现出与我们传统预期的截然不同的破裂机制。”

 在实验室中，研究人员将金属环浸泡在具有粘弹性的蛋白质溶液中。 然后，他们使用高度受控的空气流小心地在这个环上充气。 一旦气泡足够大，它们就会与悬挂的针头接触并爆裂。

如视频所示，当气泡到达针头时，表面会像花瓣一样剥落。 发生这种剥离是因为表面的粘弹性使溶液比普通肥皂泡具有更多类似固体的特性。  Kannan 将这种特殊的泡沫破灭比作一个爆裂的气球，它也像一朵花一样剥落。

研究气泡物理学

 一旦充分观察到开花现象，研究人员就开始开发爆裂的分析模型。 利用当前的气泡动力学知识和数学模型，该团队在他们的论文中展示了一组有希望的气泡开花的计算复制品。

通过研究气泡的形成和破裂，该团队希望最终了解如何在实际应用中减少气泡的产生和破裂。 他们预测，他们的发现将应用于从医学和疫苗生产到石油运输等领域。

 Kannan 总结道：“看看这有多普遍，以及其他系统的开花有何不同，这真的很重要。”