互动科普

泡泡不破：表面活性剂与泡泡的存留

啤酒中的泡泡比其他碳酸饮料的泡泡更稳定，保持的时间更长。从普通的水中产生的泡泡会立刻消失，而啤酒的泡泡到达液面后也不破裂，而是渐渐积累起来。这些泡泡是防止啤酒氧化、保持啤酒味道所不可缺少的。在啤酒中的麦芽所产生的蛋白质以及啤酒花产生的苦味物质的作用下，泡泡可以积累起来。这些物质是“表面活性物质”，附着在泡泡的表面，使泡泡变得结实（香槟虽然也含有蛋白质成分，但是保持泡泡的效果差一些）。

所谓表面活性物质，在它的一个分子里有亲近水的部分（亲水基）和不溶于水的部分（疏水基）。亲水基朝向水的一侧，疏水基朝向气泡的一侧，在气泡周围排列，将气泡包围起来。它们像泡泡的保护膜一样，增加泡泡的稳定性。肥皂是表面活性剂的代表。

让我们更详细地看一下泡沫（泡泡的集合体）的稳定性与表面活性剂的作用。

在塑料瓶中加入肥皂水后充分摇晃，过一会儿后进行观察。我们会发现泡沫主要有以下3种变化方式：(1）泡沫中所含的液体在重力的作用下向下流动；(2）气体在气泡间移动，有的泡泡变小至消失，有的泡泡变大（气泡的粗大化)；(3）膜破裂。

首先，让我们看一下（1）的变化。在泡沫中，液体通过气泡膜之间的界面流向下方。泡泡的膜因而变薄，不久就会破裂。如果有表面活性剂的话，膜的黏性提高，稳定性也增加。但是表面活性剂的效果比较容易被破坏。啤酒的泡泡最怕油，也许很多人有这样的经验，嘴上有油时喝啤酒，啤酒的泡泡很快就没有了。这是因为表面活性物质（从麦芽产生的蛋白质等）被油消耗掉了。

当表面活性剂在水中带有电子时，可以产生更稳定的泡泡。比如说肥皂的表面活性剂就是一个例子。由于膜的两层平行面都是携带电子的，相互之间存在着斥力，可以阻止膜变薄。

香槟的气泡核

照片是香槟杯的内壁上的纤维片冒出小泡泡的情景。

倒入香槟时，纤维片上会残留微量空气，于是产生气泡核。在这里，泡泡开始变大，最终向液面上升。

由于纤维片中仍然有残余的气泡核（而且，液体中也有残余的气体），气泡会不断产生，就像水龙头过一段时间就会落下水滴一样。气泡在上升的过程中变大。

泡沫中气泡的形状是什么样的？

啤酒或搅打奶油中还存在着未解之谜。在这里我们一起了解一下很多科学家研究的泡沫的几何学。当两个泡泡接触时，如果泡泡的大小不同的话，两者的接触面会凸向大泡泡一边，因为小泡泡的内压比较大。但是，如果泡泡大小相同的话，它们的接触面是一个平面。那么更多的相同大小的泡泡聚集到一起时，它们会是什么形状的呢？我们知道当3个泡泡接触时，它们之间的接触面成120°角。最终，如果相同大小的泡泡铺满一个平面的话，它们会像蜂巢一样呈正六边形排列。

那么泡泡在三维方向上又是如何排列的呢？19世纪，比利时物理学家约瑟夫·普拉蒂奥在肥皂水里加入甘油，做出可以保持18个小时的膜，并对在用金属丝绕成的线圈上形成的膜进行观察。最终他总结出泡泡稳定时的规律：3个肥皂泡壁交汇于一条线，分别以120°角分隔；4条线交汇于一点时，4条线分别成109.6°角。随后，这条规律被证明是由于力求膜表面积最小化的表面张力的作用产生的结果。

普拉蒂奥规则适用于任何泡沫。然而，对于泡沫如何填充整个三维空间的问题，单靠这一个规则是无法解决的。在这里，我们将问题简单化：假设我们做出了水分很少、大小相同的泡泡密集的泡沫，那么这些气泡会变成什么形状呢？

凭借绝对温度的单位（K，开尔文）而留名后世的英国物理学家开尔文勋爵也利用金属丝线环和肥皂水不断试验，探究“如何将空间平均分割并使膜的表面积最小”。1887年，开尔文找到的形状是将正八面体顶点切掉后形成的，由6个正方形和8个正六边形组成的14面体。1994年，通过电脑模拟计算，人们找到了更小表面积的构造。据说以6个14面体与2个12面体结合构成的结构为基本单位的“Weaire-Phelan结构”比开尔文结构的膜表面积更小，并且可以填满空间。在某些观察中，人们发现与开尔文结构相似的泡泡更容易在靠近容器壁的地方看到，而与Weaire-Phelan结构相似的结构更容易在泡沫的内部看到。

在二维平面六边形最稳定，那么在三维空间呢？

让我们考虑一下更现实的泡泡吧。之前我们已经阐述过在泡沫变化的机制中存在“气泡粗大化”现象。实际上，气体会通过膜从内压较高的小体积气泡向内压较低的大体积气泡中移动。最后的结果就是有的气泡越来越大，有的气泡越来越小。

1957年，被称为“计算机之父”的匈牙利数学家冯·诺依曼将这条规则与普拉蒂奥规则相结合，推导出更加简单的气泡成长规则。该法则内容为“与气泡大小形状无关，边数不超过5的气泡变小，超过7的气泡变大”，适用于平铺于玻璃板的二维泡沫。

2007年，该理论进一步扩充到三维空间，并发表在《自然》（Nature）杂志上。这时该理论已经演变为不管气泡形状如何，如果“各边长的总和”大于“气泡各个方向所测量的宽度的平均值”的6倍，则该气泡变大；如果不到其6倍的话，气泡变小。

然而这些只是建立在理想环境下的泡泡的成长规则，完全没有考虑“排水”、“破裂”等因素。目前人们正在继续尝试将这些因素考虑进去，充实现有的规则。如果可以更好地预测泡沫的变化的话，会对发泡性材料的生产或者结晶的研究很有帮助。

自古以来，就有很多研究者致力于弄清楚泡泡本来的面目，然而直到今日我们仍有不少未解之谜。

（本文发表于《科学世界》2012年第6期）