來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的一名本科生，解開了一個困擾科學(xué)家100年的謎團(tuán)。他發(fā)現(xiàn)了為什么在狹窄的垂直管中，氣泡似乎停留在那里而不是向上上升。根據(jù)他的研究和觀察，氣泡周圍形成了一層超薄的液體薄膜，阻止它自由上升。

他發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上，氣泡根本沒有卡住——它們只是移動得非常、非常慢。一杯水中的氣泡自由地漂浮在水面上，其背后的機(jī)制很容易被科學(xué)基本定律所解釋。

然而，同樣的科學(xué)定律不能解釋：為什么幾毫米厚管子里的氣泡不會以同樣的方式上升。物理學(xué)家在近一個世紀(jì)（100年）前首次觀察到這種現(xiàn)象，但無法提出解釋——理論上，除非流體在運(yùn)動，否則氣泡應(yīng)該不會遇到任何阻力；因此，卡住的氣泡應(yīng)該不會遇到任何阻力。早在20世紀(jì)60年代，一位名叫布雷瑟頓(Bretherton)的科學(xué)家，根據(jù)氣泡的形狀開發(fā)了一個公式來解釋這種現(xiàn)象。

從那以后，其他研究人員假設(shè)氣泡不會上升，因?yàn)樵跉馀莺凸鼙谥g形成了一層薄薄的液體。但是這些理論并不能完全解釋為什么泡沫不會上升。作為洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院工程學(xué)院軟界面工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMSI)的學(xué)士學(xué)生，Wassim Dhaouadi不僅能夠觀察液體薄膜，而且能夠測量并描述其性質(zhì)，這是以前從未做過的事情。他的發(fā)現(xiàn)表明，氣泡并沒有像科學(xué)家之前認(rèn)為的那樣被卡住，而是實(shí)際上向上移動的速度非常慢。

Dhaouadi的研究現(xiàn)在發(fā)表在《Physical Review Fluid》期刊上，這標(biāo)志著第一次提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)來檢驗(yàn)早期理論。Dhaouadi和工程學(xué)院軟界面工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人John Kolinski使用光學(xué)干涉方法測量了薄膜，發(fā)現(xiàn)它只有幾十納米(1x10^-9米)厚。該方法包括將光引導(dǎo)到窄管內(nèi)的氣泡上，并分析反射光的強(qiáng)度。利用管子內(nèi)壁和氣泡表面反射光的干涉，精確地測量了薄膜厚度。Dhaouadi還發(fā)現(xiàn)，如果將熱量施加到氣泡上，薄膜會改變形狀。

一旦熱量被移除，薄膜就會恢復(fù)到原來的形狀，這個發(fā)現(xiàn)推翻了最新理論，即薄膜會流失到零厚度。這些測量還表明，氣泡實(shí)際上在移動，盡管速度太慢，肉眼看不見。因?yàn)闅馀莺凸茏又g的薄膜很薄，它產(chǎn)生了強(qiáng)大的流動阻力，大大減緩了氣泡的上升速度。這些發(fā)現(xiàn)與基礎(chǔ)研究有關(guān)，但可用于在納米尺度上研究流體力學(xué)，特別是生物系統(tǒng)的流體力學(xué)，Dhaouadi在獲得學(xué)士學(xué)位期間作為暑期研究助理加入實(shí)驗(yàn)室。

Dhaouadi進(jìn)步很快，并且自愿地繼續(xù)工作?；旧鲜浅鲇趯ρ芯康呐d趣參與了這項(xiàng)研究，并最終發(fā)表了一篇來自他的論文，解決了一個世紀(jì)以來的難題。現(xiàn)在正在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院完成碩士學(xué)位的Dhaouadi表示：我很高興在課程的早期就開展了一個研究項(xiàng)目，這是一種新的思考和學(xué)習(xí)方式，與你知道有解決方案的家庭作業(yè)大不相同，盡管可能很難找到解決方案。一開始，甚至不知道這個問題是否會有解決方案。

博科園｜研究/來自：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊《Physical Review Fluids》

DOI: 10.1103/PhysRevFluids.4.123601

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