为海浪“染色”的小气泡
2024-08-03刘博刘宇曦袁方杨强
湖面被风拂过时，会漾起层层涟漪；海面被风拂过时，会被翻滚的海浪勾勒出一道道白色的浪花。同样受到风的扰动，为什么海面会有白色的浪花，湖泊和河流中却很难看到？
气泡中的科学
海面的白色浪花是无数小气泡聚在一起的结果。在湖泊、河流中，风浪冲击形成的小气泡会迅速聚并为大气泡，随后升浮、破裂，其中的气体进入大气；但海水中的电解质会抑制气泡的聚并，使得风浪冲击形成的小气泡停留在海水中，它们聚在一起，折射光线，就形成了我们看到的白色浪花。
什么是电解质？
电解质是一类特殊的化合物，它们在溶于水或熔化的时候，能够被电离，产生导电的离子，使溶液/熔液具有导电性。许多酸类（如盐酸、硫酸）、碱类（如氢氧化钠、氢氧化钾）、盐类（如氯化钠、碳酸钠、碳酸钙）、金属氧化物（如氧化钠、氧化钙）等都是电解质。
电解质不单单存在于实验室的烧杯里，还藏在我们的生活中，就像调味料一样无处不在。人体中也存在大量电解质，它们能够维持细胞液的渗透压，让细胞处于稳定的状态（这也是做菜时不能过早放盐的原因之一，盐会加速肉类组织中的水分流失，让肉质变柴）。
同时，电解质还有维持身体酸碱平衡、维持神经信号传递和肌肉活动、保持心脏稳定跳动等功能。我们在高温环境或运动过程中会大量出汗，体内的水分和电解质因此不断流失，严重时会出现恶心、呕吐、抽筋等症状，这时要尽快补充电解质。
气泡的“舞会”
打开一瓶汽水，你会观察到许多冒出来的小气泡，它们是“跑”出来的二氧化碳气体；开水沸腾时，你会看到大大小小的气泡向上升起，“顶”得水面不断翻滚。
从宏观角度看，气泡聚并如同一场社交盛事，大小不一的气泡在液体中相互碰撞，最终携手，汇聚成更大的气泡。当我们把视角转向微观，则会发现更奇妙的故事。
两个气泡相互接近时，它们之间会形成一层薄薄的液体层，我们称之为“液膜”。随着它们进一步接触，液膜中的液体开始悄悄溜走，变得越来越薄，直到厚度只有几十纳米——相当于一根头发的1‰那么细。这时，戏剧性的一幕发生了——液膜崩塌、破碎，两个小气泡融合成一个新的大气泡。
纳米级的气泡“社交”
过去，一直存在一个困扰科研人员的难题——海水中存在大量盐类，按照传统理论，它们应该促进而不是抑制气泡聚并，但这与实际观察到的现象存在矛盾。
气泡在彼此接近的过程中会形成微纳米级的液膜，科研人员自研仪器，创新性地观测到了液膜的动态薄化过程，成功解开了这个难题。
薄膜干涉的应用
实验室中常用的是光学显微镜，主要用来观察微米尺度的实验现象，而液膜排水的现象则主要发生在纳米尺度。科研人员是如何看到这一过程的呢？其中的原理和我们看到的彩色肥皂泡是一样的。
肥皂泡是由纳米级厚度的水膜包裹空气形成的，光线照射在肥皂泡上，从水膜上下两个表面分别反射回来，反射的光线相互交叠、互相干扰，形成新的光波，从而呈现多彩的效果，这种现象叫作薄膜干涉。
科研人员运用同样的原理，将一束光照射在电解质溶液中两个气泡间的液膜上，捕捉到一圈圈彩色条纹；通过对连续捕捉的干涉条纹图进行分析，可以看出气泡间液膜的动态薄化过程。
是什么在阻止聚并？
气泡在电解质溶液中相互接近，形成一道液膜。起初，液膜之间的水快速流出，液膜也迅速变薄；但当气泡接近一定程度时（液膜厚度达30～50纳米），排水像是被按下了暂停键，速度大幅降低，究其原因是离子在“捣鬼”。
离子喜欢待在电解质溶液中，却不喜欢“贴”在气泡上，因此，气泡表面不均匀分布着许多只有水、几乎没有离子的小区域（小于1纳米）。液膜向外排水时，这些区域只排水，无法排出电解质离子，使得液膜内的离子浓度不断升高，从而与周围溶液的离子浓度形成差异。浓度差异越来越明显，产生张力，使气泡表面变得难以移动，液膜排水的脚步因此被放慢，气泡聚并的可能性也就被降低了。
我们为什么要探索气泡聚并？
助力氢能革命
氢能是绿色低碳、应用广泛的新能源。电解水制氢是获取氢能的重要方式之一，但在制氢过程中会出现大量气泡，它们的存在会让电解系统能耗增加，也大大增加了安全风险。
如果可以诱导小气泡聚并为大气泡，强化气泡的自脱附（吸附的逆过程）作用，或许能大幅度降低电解系统的能耗，为实现更清洁、更高效、更可持续的能源未来铺平道路。
有效废水处理
废水处理是保障人类健康、保护环境、促进可持续发展的关键措施之一，具有不可替代的重要作用。气泡聚并技术可以有效分离和降解废水，帮助人们进行废水处理，并且不会产生有害的化学物质，降低废水对环境的污染。
在油水分离方面，聚并作用可以快速分离附着的油滴，提高废水分离效率。此外，气泡聚并产生气液界面震荡，有助于破坏沉淀层，促进污染物降解。
气泡是污水处理中的重要角色。例如，将污水中的气泡密度降到很低时，它们就会变成一个个小“潜艇”，带着污水中的不溶性颗粒、油滴等污染物上浮。此外，在生物降解污水技术中，气泡可以给微生物提供氧气，就像给鱼缸中的小鱼输氧，让它们更有活力地消化水中的有机污染物。
气泡聚并尺寸变大，会使供氧效率下降，吨水处理的能耗增加，因此，抑制气泡聚并成为该技术的关键之一。通过技术手段合理调控（强化或抑制）气泡聚并过程，有助于提升污水处理效率、降低系统能耗，为污水资源化的可持续发展奠定基础。
气泡聚并，不单是一场科学现象的展示，更是大自然匠心独运的证明。无论是在科学研究的“桃源”之中，还是在繁忙喧嚣的工业生产线上，或是我们的日常生活里，这一过程都有着无可替代的作用。了解它，就是帮助我们理解世界、改变生活、创造未来。
（责任编辑 / 牛一名 美术编辑 / 周游）
