機器之心報道
編輯：張倩
和普通泡泡 1 分鐘的短暫美麗相比，這個泡泡的生命足足延長了 20 萬倍。
十多年前，科幻作家劉慈欣寫過一個有趣的小故事。
故事的主人公是一個叫圓圓的小女孩，她的父母為改善大西北的生态環境奉獻了整個青春，但由于供水成本過高，他們辛辛苦苦建立起來的城市——絲路市依然難逃廢棄的命運。
圓圓本人的夢想則比較簡單，她隻想吹出一個大大的泡泡。對此，圓圓的爸爸憂心忡忡，因為他認為女兒追求的是美麗、新奇而虛幻的東西。長大之後，圓圓憑借自己學到的東西創立了一個資産數億的公司，但她的夢想依然是吹泡泡。為此，她潛心研究與泡泡相關的技術，比如新型溶液的研發與調制。
最終，她用技術手段吹出了可以籠罩一座城市的大泡泡，而且任由泡泡裡的人拳打腳踢，這個泡泡都不會破。看到這個場景，圓圓的爸爸靈機一動，提出可以用無數個這樣的泡泡裹帶濕潤空氣進入大西北，拯救絲路市這樣的缺水城市。這一想法被付諸實踐，絲路市很快下起了小雨……
讀完這個故事之後，有網友表示，這似乎是大劉衆多腦洞中比較靠譜的一個，有沒有人真的在研究這東西？
如果「這東西」指的是泡泡的話，那當然有，而且部分研究者已經取得了一些突破。
在最近的《流體 實體評論》（Physical Review Fluids）雜志上，我們就發現了這樣一項研究：法國的實體學家成功地用塑膠顆粒、甘油和水制造出了能夠保持很久的泡泡，最久的多達 465 天。
論文連結：https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.7.L011601
三種泡泡的壽命對比。a. 肥皂泡：1 分鐘：b. 水瓦斯泡：6-9 分鐘；c. 水 / 甘油泡：101 + 天。
長期以來，科學家們都對泡泡非常感興趣。
2016 年，法國實體學家提出了一個理論模型，用于描述噴射氣流撞擊肥皂膜時，肥皂泡形成的确切機制。研究人員發現，泡泡隻有在一定速度以上才會形成，而這個速度又取決于氣流的寬度。
2018 年，紐約大學應用數學實驗室的數學家又根據一系列用薄肥皂膜進行的實驗，微調了吹出完美泡泡的方法。他們得出的結論是：吹泡泡時最好使用周長為 1.5 英寸（3.8 厘米）的圓管，并以 2.7 英寸 / 秒（6.9 厘米 / 秒）的恒定速度輕輕吹氣。如果速度過快或圓管過粗 / 過細，泡泡就會破裂。
2020 年，實體學家确定，造出巨大泡泡的一個關鍵因素是混合不同股長（strand length）的聚合物。這就産生了一種能夠拉伸得足夠薄的肥皂膜，進而在不破裂的情況下形成一個巨大的氣泡。聚合物多股糾纏在一起，就像一個毛團，形成更長的股，不易分開。在正确的組合中，聚合物可以讓肥皂膜達到一個「甜蜜點（sweet spot）」，既粘稠又有彈性——隻是彈性不能太大，否則會裂開。改變聚合物的股長可以得到更結實的肥皂膜。
除了大小，科學家們對延長泡泡的壽命也非常感興趣。泡泡在自然狀态下呈現出球體的形狀，這一幾何形狀可以歸功于表面張力（一種由分子吸引産生的力）。表面積越大，維持給定形狀所需的能量就越多，這就是為什麼泡泡要呈現表面積最小的形狀：球體。
然而，大多數泡泡在标準大氣中幾分鐘内就會破裂。随着時間的推移，液體會在重力的作用下向下流動，同時，液體成分慢慢蒸發，泡泡的「壁」變得越來越薄，泡泡中的小氣泡結合成更大的氣泡。這兩種效果的結合叫做「coarsening」。添加某種表面活性劑可以增強薄膜壁，進而防止表面張力将泡泡撕破。但最終，泡泡還是會破。
2017 年，法國實體學家發現，一個由塑膠微球制成的球殼可以在微小的體積内儲存加壓氣體。實體學家稱這種物體為「氣體彈珠」。這些氣體彈珠與所謂的液體彈珠有關，後者是一種塗有微小的、排斥液體的小珠的液滴，這些小珠可以在固體表面滾動而不會破裂。雖然氣體彈珠的機械特性已經是幾項研究的主題，但是還沒有人進行實驗來探索這種彈珠的壽命。
是以法國裡爾大學的 Aymeric Roux 和他的幾個同僚決定填補這項空白。他們用三種不同的泡泡做實驗：标準肥皂泡、用水制成的氣體彈珠和用水和甘油制成的氣體彈珠。
為了制造他們的氣體彈珠，Roux 等人将塑膠顆粒散布在水浴器的表面，這些顆粒擠在一起形成了一個顆粒筏。然後，研究人員用注射器從顆粒筏正下方注入一點空氣，形成氣泡，并用勺子将氣泡推到筏上，直到每個氣泡的整個表面都塗上塑膠顆粒。
正如預期的那樣，标準肥皂泡在一分鐘左右就破裂了。但 Roux 等人發現，塑膠顆粒塗層顯著減緩了水基氣體彈珠的排水過程，後者在 6 至 60 分鐘之間塌陷。為了進一步延長泡泡的壽命，研究人員還需要減緩蒸發過程。
是以，他們在水中加入了甘油。作者表示，甘油具有高濃度的羟基，而羟基又與水分子有很強的親和力，産生很強的氫鍵。是以甘油更能從空氣中吸收水分，進而補償蒸發。水 / 甘油氣體彈珠的持續時間要長得多：從 5 周到 465 天，這使得研究人員能夠确定水與甘油的最佳比例——這是「長壽」氣體彈珠的完美配方。
此外，研究者不止能造出圓圓的泡泡，還可以造出結實的複合液體薄膜，并通過将金屬框浸入覆寫有一層密集塑膠顆粒的液體表面下，将它們塑造成不同的樣子。當金屬框被慢慢地舉回表面時，這個框捕捉到了粒子包裹的薄膜。最值得注意的是，Roux 等人能夠用水 / 甘油液體薄膜建構 3D 錐體，而且這個錐體已經持續了 300 多天（目前還沒破）。
附着在金屬框上的液體膜的壽命。左：水準架構；右：錐體架構。
參考連結：https://arstechnica.com/science/2022/01/physicists-have-created-everlasting-bubbles/