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圖片：一項新研究發現，既不是完全液體也不是油的粘彈性泡沫在爆裂時會類似于盛開的花朵，如這張由高速相機拍攝的照片所示。

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石油行業、制藥公司和生物反應器制造商都面臨著一個共同的敵人：泡沫。 在各種液體的制造或運輸過程中會形成氣泡，氣泡的形成和破裂會導致產品質量出現重大問題。

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

研究人員對表面嵌入蛋白質的氣泡特別感興趣，這在制藥行業和用于細胞培養的生物反應器中很常見。 一項出乎意料的結果顯示，研究人員發現他們正在研究的蛋白質氣泡用針刺破時會像花朵一樣張開。 ?7 月 19 日發表在《美國國家科學院院刊》雜志上的一項研究詳細介紹了他們的發現。

?“真正讓我震驚的是，即使經過這么多年的研究，氣泡物理學仍然以出乎意料的美麗現象讓我們感到驚訝，”Suja 說。

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特性---一種重要的特性稱為粘彈性。

“我們周圍的大多數材料實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，他是弗萊徹瓊斯二世的教授。 工程學院與那不勒斯大學的 Pier Luca Maffettone 教授共同領導了這項研究。

這種“中間”狀態被稱為粘彈性，研究人員發現，與傳統的肥皂泡不同，具有類似液體和固體特性的粘彈性泡沫會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洞是如何打開的，所以我們只能看到一個消失的氣泡。”

因此，研究人員使用以每秒 20,000 幀（比人眼快 300 倍以上）運行的高速攝像機來捕捉和研究這一現象。

“在撰寫關于生物藥物制劑中氣泡聚結的論文時，我決定通過我們實驗室的高速相機觀察氣泡破裂，”Kannan 說。 ?“當我們這樣做時，我們看到這個表面有蛋白質的氣泡實際上表現出與我們傳統預期的截然不同的破裂機制。”

?在實驗室中，研究人員將金屬環浸泡在具有粘彈性的蛋白質溶液中。 然后，他們使用高度受控的空氣流小心地在這個環上充氣。 一旦氣泡足夠大，它們就會與懸掛的針頭接觸并爆裂。

如視頻所示，當氣泡到達針頭時，表面會像花瓣一樣剝落。 發生這種剝離是因為表面的粘彈性使溶液比普通肥皂泡具有更多類似固體的特性。 ?Kannan 將這種特殊的泡沫破滅比作一個爆裂的氣球，它也像一朵花一樣剝落。

研究氣泡物理學

?一旦充分觀察到開花現象，研究人員就開始開發爆裂的分析模型。 利用當前的氣泡動力學知識和數學模型，該團隊在他們的論文中展示了一組有希望的氣泡開花的計算復制品。

通過研究氣泡的形成和破裂，該團隊希望最終了解如何在實際應用中減少氣泡的產生和破裂。 他們預測，他們的發現將應用于從醫學和疫苗生產到石油運輸等領域。

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

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