给肥皂泡染色

王登轩

彩色泡泡来了

你吹过彩色泡泡吗？美国《大众科学》杂志的最佳发明大奖就授予了彩色肥皂泡的发明者提姆·科奥。用肥皂加上水，谁都可以吹出泡泡来。但要吹出彩色泡泡却不是一件简单的事情。真正的彩色泡泡，能发出单一鲜艳的色彩，而不是在太阳光下折射出七彩光线的普通泡泡。

35岁的提姆·科奥来自美国明尼苏达州的圣保罗市，他家的厨房里摆满了超市里能买到的各种洗涤剂和有色液体，有时还会传出爆炸声；他的脸上、衣服上、甚至是浴缸里经常会染满各种颜色；他的家人经常被迫撤离，因为房子里充满了有毒气体。所有这些都是为了实现一个梦想：制造出彩色泡泡。

在尝试制造彩色泡泡时，提姆·科奥最先想到了色彩鲜艳的果冻粉，他将果冻粉和象牙色的肥皂水混合，结果什么也没有得到。

从技术上来说，给泡泡染色困难重重。因为一个泡泡的外壁主要是夹在两层表面活化剂分子里的水，厚度只有1英寸（2.54厘米）的百万分之一。如果将食用色素加入到泡泡溶液中，那些巨大的染料分子会在水中自由浮动，无法与水或者表面活化剂融合，这样得到的仍然是一个透明的泡泡，只不过底部有一点点颜色罢了。

历经15年时间，提姆·科奥终于发明了彩色泡泡。制造彩色泡泡的原理其实很简单，只要找到一种能够与表面活化剂融合在一起的染料，让泡泡出现鲜艳的颜色即可。现在提姆·科奥发明的彩色泡泡不仅有各种颜色，而且假如在你手上破裂时，只要轻轻摩擦双手，颜色就会立即不见；如果破裂的彩色泡泡粘在了你的衬衫或者地毯上，可以立即用水冲洗或者不理它，因为半小时后染料也会自行消失。

薄膜上的风暴

在实验室里，法国波尔多第一大学的物理学家哈密德·凯莱用橡胶管连接在吸液管上，随时控制肥皂泡膨胀的速度，然后非常缓慢地吹出一个直径约10厘米的半球形肥皂泡。接着在肥皂泡底部加热，同时又给泡泡开始降温，形成好似赤道炎热而两极寒冷的地球大气系统。这时紊流在肥皂泡底部生成，由于存在温度梯度差，它开始往“高纬度”地区上升，几秒钟后就形成了对流漩涡。在肥皂泡破碎之前，能够观察到这个“风暴”可存在几分钟之久。

你也许会问，一个肥皂泡就可以解决气象学家和天文学家的问题吗？没错。液体流动的能量是以漩涡式存在的，两个小漩涡遭遇后，其中一个会并入到较大的一个漩涡中去。微观下的大漩涡实际上是由成千上万个旋臂所组成，它们之间相互围绕着旋转但却存在斥力。当漩涡增大时，那些旋臂就会变细变长。所以肉眼看到的大型漩涡，在微观上正代表了液体的流动方式。在膜表面上的那些美丽色彩和花纹看起来简直和飓风一模一样，它们不仅让泡泡变得有魅力，更重要的是为人们提供了了解泡泡膜厚度的工具，因为其色彩随着膜的厚度而变化。就像飓风动辄在地球或其他星球表面绵延数千千米以上，“风暴泡泡”在肥皂泡表面的比率规模决不下于真实中的飓风，甚至在狂躁的漩涡地带周围也会出现平静的风眼。

研究小组使用了数字摄影机，记录下它们在肥皂膜上的流动速度，接着把从中得到的统计数据与几个飓风的统计数据对比。从位移来看，肥皂膜漩涡受到底部热气流的冲击，呈现的是速度为1厘米/秒的随机运动，相比较而言，飓风运动因受地转偏向力影响而显得明显许多，两者似乎相去甚远。然而，从平均位移来看，肥皂膜漩涡和飓风的路径竟拥有相同指数形式，表现了一种极大的相似度，两者运动轨迹则十分接近。比如，从一个点到另一个点，都不是直线运动，而是沿着之字扭扭曲曲行进。这种不规则的运动早就被气象学家注意到了，它是一种经典的恒速运动模式，就像颜料液滴在水中扩散一样。但飓风在前进过程中会突然地产生一个加速度，看起来，当中有一种普遍性。倘若能够弄明白其中机制，便可以更有效地防范这种具有破坏性的天气现象。

终极泡泡

大多数人可能在幼儿园里就吹过泡泡了，实在是轻松活儿一桩。不过对科学家而言，要吹出体形划一、排列整齐的泡泡并没有想象中容易，因为要控制它们的形成相当于是跟表面张力、液体的黏滞性及其复杂的流动行为所形成的浑沌现象打交道，所以是个非常困难的问题。通过长期研究，科学家最终想出了一个好方法，用来制造一连串相同规格的微米泡泡。

他们在一桶液体中浸入一块金属平板，上面有一个直径为110微米的小孔，然后把一根里面充满空气的玻璃管插在孔的一侧，同时升高该侧的压力，把气体和液体推向另一侧，形成一股包裹着“气芯”的喷流。由于密度更低，“气芯”运动得比周围的液体快，迅速到达金属板的另一边变为一个“气滴”，随着它体积增大，就堵住了液流，此时“气芯”被切断，一个泡泡出现了。由于这种微型的“交通堵塞事故”发生得非常有规律，因此得到的气泡也十分均匀一致，它们堆积在一起，看起来犹如某种晶体结构一般整齐。通过这个简单的新方法，人们能够做出大批量各种性质相同的微米级气泡以供研究，对制药、食品等学科领域都很有帮助。

相对于行星的直径，环绕在行星外的大气层显得非常薄，可视为二维结构。同样，肥皂泡膜也有此特性。只不过迄今为止，人们还无法建造一个二维风洞，而为了吹一个适合研究的肥皂泡，科学家已经走过了近30年的历程。上世纪80年代，有人观察到了肥皂泡膜具有很强的流动性，适用于研究流体的性质，从此一项吹泡泡竞赛就应运而生，既大又薄的泡泡成为了研究者竞追逐的目标。

现实中，肥皂泡的寿命都很短，它们会被一颗碰到的尘埃轻易摧毁，或因地心引力使上方的膜不断变薄而无法长时间维持于空气中。为了吹出一个巨大的泡泡的确让人绞尽脑汁，后来连精确的几何学也上阵了，而且为延长泡泡保存时间的装置不断被发明出来。终极泡泡就在这场竞赛中出现了，有人曾经做出了一个高12米、宽4米的肥皂膜，还宣称如果空间足够大，可以造出更大的来。

不过，当一个又一个巨大泡泡被吹出来了之后，科学家们才发现，虽然在视觉效果上是越大越好，但在物理学上就会遇到麻烦，面积增大，意味着摩擦力也会增大，将扰乱原本平静的平面结构。于是，“适度”大小的泡泡又重新回归。

长寿的秘密

吹泡泡是一种非常普通的游戏，自从有了水和表面活化剂，就有了泡泡。表面活化剂是肥皂和其他清洁剂的主要组成成分，它与水结合能减少液体的表面张力，这使得液体能够不受阻碍地流过麦杆状的小管子，遇到空气后，这些薄膜开始向外扩张，直到最终与小管子分开，形成一个个泡泡。也不是所有泡泡都需要肥皂帮忙，在零重力的条件下，甚至可以只用水来制造一个泡泡膜。一次，一位美国宇航员在做实验时，发现用不加肥皂的水也可以在细金属丝圈上制造水膜。在零重力环境下，当他第一次把金属环放进水里拿出来的时候，水膜顽强地附着在金属环上，形成一个大的水膜。

在厨房里你不妨也试试这个实验，在碗里注满水然后放进可以调节大小的金属环。你会发现，不管如何努力，都不可能制造出直径超过1厘米的水膜。此外，任何轻微的抖动或者微弱的气流都会使其破裂。然而在零重力环境下，水膜直径却可达5～11厘米，并且相当有韧性，能经受各种各样机械手段的折磨，剧烈地摇它、吹它都不会碎。

什么原因让薄膜在太空中如此坚韧呢其实答案很简单。假设你在地面做了一个水膜，令其与地表平行，它在受到表面张力的同时还受到地球引力，膜的中央下陷松弛，水就会沿着膜的边缘向中心流动，使中心的水越积越多直至将膜扯破。但如果置身于环地轨道的空间站，水膜就会在无重力状态下自由漂浮，仅仅受到表面张力，中央不会下陷。薄膜甚至可以坚持12小时以上。

当然了，就算是在地面上，一般人认为肥皂泡的“寿命”太短这一点，也不是完全正确的：如果照顾周到，可以使肥皂泡保存到几十天。一个水汽饱和的密闭容器就足以延缓蒸发速度，使泡泡存活更久。在美国的印第安纳州曾有人将一个泡泡保存了341天！如果你有兴趣，趁现在就躺在浴缸中，浴室的湿度又比较大，赶紧找只广口瓶往里面吹一个，然后盖上盖密封，看看有没可能破纪录。