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饮料中的流体力学：为什么香槟泡沫能直线上升？

来源:中科院半导体所发布时间:2023-05-08

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来源：物理研究更新

作者：大锅天眼

大家都知道，香槟是一种著名的起泡酒，当我们倒入杯中时，就会看到无数的气泡从杯底不断冒出，形成一条条直线上升的泡沫链。这种现象非常美丽，也非常稳定，即使过了一段时间，泡沫链仍然保持直线形状。

但是，如果我们换成其他的碳酸饮料，比如啤酒或苏打水，就会发现泡沫链并不直线上升，而是有些弯曲或分散，也不太持久。这是为什么呢？香槟中有什么特殊的成分或机制让泡沫链如此稳定吗？

为了揭开这个谜题，来自法国图卢兹大学和美国布朗大学的研究团队进行了一系列的数值和实验研究，并将结果发表在了《物理评论流体》杂志上。他们不仅解释了香槟中泡沫链的稳定性，还为流体力学领域中涉及气泡流动的问题提供了重要的启示。(10.1103/PhysRevFluids.8.053601)

首先，他们分析了影响泡沫链稳定性的两个主要因素：气泡的大小和液体表面的污染程度。他们发现，当气泡很小（直径小于0.5毫米）时，它们会受到周围液体的粘性阻力，导致它们上升速度较慢，而且容易受到其他气泡或液体扰动的影响，从而偏离直线轨迹。当气泡很大（直径大于1毫米）时，它们会在后方产生一个尾迹区域，其中液体向下流动，并对前方的气泡产生一个向上的升力。这个升力可以帮助气泡保持在同一条直线上，并抵消重力和浮力之间的差异。因此，大气泡更有利于形成稳定的泡沫链。

然而，并不是所有的大气泡都能保持稳定，还有一个影响因素是液体表面的污染程度。所谓污染，并不是指有害物质或细菌之类的东西，而是指一些可以降低液体表面张力的物质，比如肥皂或洗洁精等。这些物质可以让液体更容易形成气泡，并延长气泡的寿命。

在香槟中，这些物质就是一些蛋白质分子，它们可以给香槟增加香槟的口感和风味。而在其他碳酸饮料中，这些物质可能是一些人工添加剂或杂质，它们会影响气泡的形成和上升过程。

论文的作者通过实验观察了香槟酒中不同浓度的蛋白质对泡沫链稳定性的影响。他们发现，当蛋白质浓度较高时（约为每升10毫克），泡沫链可以稳定地升起，直到达到液面；当蛋白质浓度较低时（约为每升1毫克），泡沫链会在半途断裂，形成孤立的气泡；当蛋白质浓度非常低时（约为每升0.1毫克），气泡核就无法形成稳定的链状结构了。

为了解释这一现象，论文的作者建立了一个理论模型，考虑了气泡之间的流体动力学相互作用和表面活性剂引起的弹性效应。他们发现，当表面活性剂的浓度足够高时，气泡之间的弹性效应会抵消流体动力学相互作用引起的不稳定性，从而使得泡沫链保持稳定；当表面活性剂的浓度较低时，气泡之间的流体动力学相互作用会占据主导地位，导致泡沫链断裂；当表面活性剂的浓度非常低时，气泡表面的弹性薄膜就无法形成，气泡会很快破裂。

这项研究不仅揭示了香槟中泡沫链的秘密，也为理解和控制气泡流动提供了新的视角和方法。气泡流动在许多工业和自然现象中都有重要的作用，比如水处理、海洋渗漏、火山喷发等。通过调节液体表面的污染程度或气泡的大小，我们可能可以改变气泡的聚集或分散状态，从而优化或预测这些过程的效果和结果。

文章内容仅代表作者观点

不代表中科院半导体所立场

编辑：薛定谔的薛定谔