为什么泡沫不能逃脱破灭的命运？

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你一定用吸管玩过这样一个游戏：把吸管插到饮料里面吹泡泡。

不知道你注意过没有，不管是在矿泉水还是果汁里吹泡泡，水里的泡泡一会儿就破了。但是如果在肥皂液里吹泡泡，泡泡就能活得久一些。这是为什么呢？

这就要从水的性质说起了。

水分子H20是由一个氧原子和2个氢原子结合而成的。氢原子里有1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子。氧原子比氢原子要胖得多，它有8个带正电的质子和8个带负电荷的电子。

▲ 水分子

氢原子和氧原子形成了氢键。不过这个氢键吧，它比较特殊，因为氧原子比较胖，它把氢原子的那个电子微微吸引了过去，所以氧原子这里相当于多带了一些负电荷，而氢原子因为电子被抢走所以带了一些正电荷。

水分子因为电荷分布不均匀就变成了一个一边带正电，一边带负电的分子。许许多多个水分子在一起，就会像小磁铁一样互相吸引。一个水分子里少了电子的氢原子会吸引另一个水分子里多了电子的氧原子。

▲ 水分子的极性，红色是氧原子，蓝色是氢原子

这会造成什么问题呢？

如果在深深的水底，每个水分子都被大量其他水分子包围着，所以它不会受到某个方向的特别大的拉力。

那么在水面上又是什么情况呢？

在水面上的水分子只受到向下的拉力，因为它们的上方没有水分子嘛。所以和水面下方的水分子相比，它们有和大家抱在一起的劲头，不容易轻易被外部的力拉扯出去。这种液体表面向内的拉力就叫做表面张力。

▲ 表面张力示意图：水面附近的水分子受到向水深处的力，这就是表面张力的来源。

因为表面张力的存在，水面就变成了一张具有弹性的薄膜，你可以把它想象成吹得鼓起来的气球。许多昆虫能够站在水面上，就是因为液体表面张力托住了身体轻巧的昆虫的原因。

说了这么多表面张力的原理，它和泡泡有什么关系呢？

我们知道泡泡只出现在液体的表面。泡泡一诞生就会受到液体表面张力的拉扯，因此泡泡会被崩得紧紧的。

▲ 肥皂泡沫的消逝

图片来源：Saye & Sethian, UC Berkeley/LBNL

不过，泡泡在本质上就是不稳定的。19世纪末的时候，J. W. Gibbs 和 Reyleigh两位科学家发现，泡泡的液膜并不均匀，一些地方薄一些，一些地方厚一些。

造成这个现象有许多原因，首要原因就是重力。

由于重力的存在，泡泡上的液体分子总是要往下跑，液膜不断排液，因此泡泡会逐渐变薄，而且液膜会变得不均匀。

当然了，水分子本身也会蒸发，因此泡泡也会因为蒸发而变薄。这也是为什么在大热天和风大的时候，泡泡更容易破的原因，因为泡泡里的水分蒸发得更快。

太空中的泡泡

因为重力对泡泡的撕扯，所以航天员们在太空中的重要实验之一就是吹泡泡。在太空的微重力环境里，泡泡上的液体不容易因为重力下滑，所以保存的时间也久一些。

▲ 在太空里，泡腾片在水里炸开的样子

变薄的泡泡会发生什么事呢？

一旦泡泡上面出现了一个比其他更薄的地方，液体的表面张力就会把这个地方拉得越来越大，最后泡泡就会破裂。（不过，液体本身也有修复薄膜上更薄的地方的自带功能，但是没有加入表面活性剂的液体的修复过程没有排液过程发生得快，泡泡还来不及修复好就破了。）

除了重力以外，让泡泡破裂的其他次要不可抗力还有很多，比如气体渗透、气泡聚并（bubble coalescence）、奥斯瓦尔德熟化（ostwald ripening）等。怎样科学地戳泡泡，以及把泡泡保持得更久一直是科学家们在研究的问题。

因为纯净水有较大的表面张力，落在纯净水的水面上的泡泡总是不太稳定，一会儿就被巨大的表面张力扯破了。不光是纯净水，实际上任何纯净的液体都不能产生稳定的泡泡。

想要让泡泡保持地更久，就必须要减少液体表面张力，这样泡泡就不会被拉扯得太厉害。要怎么做呢？

肥皂、洗洁精一类的物质都含有表面活性剂，它们可以减少液体表面张力，并且能阻碍液体的流动，使泡泡上最薄最脆弱的地方不会被轻易拉破。如果没有洗洁精和肥皂，也可以在水里加一些甘油或者糖，它们也能减少表面张力。

另外，和我们的想象不同，当泡泡破裂的时候，它们并没有完全消失，而是沿着原本泡泡的边缘变成了一圈更小的泡泡。

这些小泡泡还会继续重复这个过程，破裂变成更小的泡泡，更小的泡泡，小的泡泡，的泡泡，泡泡，泡...最后当泡泡变得只有液膜那么厚的时候，它们就不能继续爆破了。这个时候，泡泡才算真正地消失。

▲ 大泡泡破了变成一圈小泡泡，小泡泡继续变小

不管怎么说，泡沫都不能逃脱破灭的命运。或许美好的东西本质上都是短暂的把。

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图片来源：Daily Mail, NASA, ESA, Haiku Deck, giphy, wikipedia

参考资料：

Walstra, P. "Principles of foam formation and stability." Foams: Physics, chemistry and structure. Springer, London, 1989. 1-15.

McKetta Jr, John J., ed. Encyclopedia of chemical processing and design. CRC press, 1997.

Encyclopedia of Chemical Processing and Design: volumne23

http://www.nature.com/news/2010/100609/full/news.2010.289.html

http://www.dowcorning.com/content/publishedlit/22-0160-01.pdf

http://umdberg.pbworks.com/w/page/112520035/The%20Laplace%20Bubble%20Law%20%28copy%29

http://docsdrive.com/pdfs/ansinet/jas/2005/1122-1129.pdf

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/255.html

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