逐渐增大的浮力使气泡最终脱离成核点并驱使它挤过液体分子而打开其上升之路时,气泡周围的表面活性剂层对于气泡的行为就开始起到了关键性的作用。被吸收的表面活性剂分子在气泡表面上形成了某种类似于“盾”的东西,从而增强了气泡的刚性。根据流体动力学理论,刚性球在穿过流体上升时所遇到的阻力,比其周围没有表面活性剂层覆盖的柔性球所遇到的阻力大,表面活性剂分子逐渐在气泡表面聚集起来,使气泡的刚性部位越变越大。因此,半径固定不变的气泡在上升过程中所遇到的流体
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动力学阻力不断增加;当气体-液体界面完全被表面活性剂分子覆盖时,气泡的上升速度将降至最低值。但是法国斯特拉斯堡路易·巴斯德大学的一个研究小组不久前证明,严格说来,在气泡被表面活性剂严严实实地覆盖起来之前,气泡边界层就已经达到了完全的刚性化状态。
与半径固定不变的气泡相比,上升过程中不断膨胀的气泡其行为之复杂要更胜一筹。在上面所举的那个例子中,气泡在穿越过饱和液体上升时,如果体积逐渐膨胀,则它的表面积也将不断增大,从而使它有更大的空间来吸收表面活性剂。因此,膨胀的气泡受到两种针锋相对的效应的作用。如果气泡膨胀的速率超过了表面活性剂使气泡表面刚性化的速率,那么气泡被表面活性剂所覆盖的那部分表面面积与尚未被表面活性剂覆盖的表面面积之比就不断下降,这样气泡实际上就在不断地“净化”其界面。如果这一比例不断增大,那么气泡表面最终将不可避免地被一层表面活性剂完全覆盖,从而使其刚性也越来越大。
我们测量了膨胀的香槟酒气泡和啤酒气泡在上升到液体表面的过程中所遇到的阻力系数,并将测量结果同论述气泡动力学的科技文献中所查到的资料作了比较。从这项工作中我们得到的结论是:啤酒气泡的特性酷似刚性球;反观香槟酒、汽酒和汽水中的气泡在上升过程中其表面则显示出较大的柔性。这个结果当然不会让人感到太意外,因为啤酒中的表面活性剂大分子的含量比香槟酒中此类分子的含量高得多(前者每升约有数百毫克;而后者每升仅有几毫克)。此外,由于啤酒中气体含量较低,因此啤酒气泡的生长速率也低于香槟酒气泡的生长速率。其结果是啤酒气泡的膨胀所产生的净化效应可能过于微弱,无法使气泡的气体液体界面摆脱最终刚性化的命运。而香槟酒、汽酒和汽水中的气泡其生长非常迅速,但表面活性剂分子的数量又太少,难以使气泡表面变成刚性。
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气泡的迸裂
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气泡在产生出来并离开成核点之后,几秒钟内就穿越几厘米的距离而抵达饮料的表层,其直径最终达到1毫米左右。这些气泡就像冰山一样,上升到饮料顶端的气泡仅有很小一部分露出液体表面,而其大部分仍然潜藏在表面之下。露出来的那一部分(称为气泡帽)是半球形的液体薄膜;随着其周围侧面上液体的不断流失,它将变得越来越薄。当气泡帽的厚度降低到某一临界值时,它对于振动和热梯度将极为敏感,一点点振动或轻微的热梯度就会使它最终爆裂而烟消云散,不复存在。1959年,两位物理学家——剑桥大学的Geoffrey Ingram Taylor与加利福尼亚理工学院的Fred E. C. Culick——各自独立地证明了表面张力使气泡帽上出现一个洞,而且这个洞非常迅速地扩展开来。对于毫米大小的气泡,它们的瓦解过程只需要10-100微秒。
在气泡帽破裂之后,一个复杂的流体动力学过程接踵而至,使得气泡浸在液体表面以下的部分也跟着分崩离析。在一刹那的时间里,液体表面上留下了一个敞开的空穴。然后空穴的四周向内推进并会合在一起,把一股高速液体喷流抛射到自由液面的上方。由于这股喷流速度很高,它将迅速变得不稳定,产生所谓毛细波,这一毛细波使喷流碎裂成许多“喷流滴”的微小液滴。慢性与表面张力的共同作用使得分离开的喷流滴呈现出多姿多彩的而且常常是令人称奇的形状,但最终它们都变成准球形。由于每秒钟都有数以百计的气泡爆裂,因此饮料表面上到处都是瞬间存在的锥形结构。这些此起彼伏的锥形结构的寿命太短,单凭肉眼是无法把它们看清楚的。
香气四溢
气泡在自由液面上的迸裂除了构成一道赏心悦目的风景以外,同时也使香槟酒、汽酒、啤酒以及其它多种饮料具备了饮料商期望的所谓“质感”。喷流滴以每秒几米的速度抛射到液面之上几厘米的地方并与人的感觉器官接触。这样,在品尝酒的过程中,鼻子中的感受器不断受到刺激,口腔中的味觉感受器亦然;气泡的迸裂还产生出一种略带酸性的水溶液。
除了机械作用的刺激以外,气泡在液面上的破裂据信对于饮料的味道和香气的溢出也起着十分重要的作用。碳酸饮料含有许多芳香化合物,其分子结构揭示它们具有表面活性。因此,在饮料液体中升起并不断膨胀的气泡就起到了芳香分子收集器的作用,在其上升的沿途一遇到这类分子就顺手把它们拖走。这样芳香族分子就在饮料的表层集中起来。根据这一分析,研究人员认为,气泡在破裂时将含有高浓度芳香族化合物的微小液滴成片地抛到空气中,从而凸显出饮料特有的风味。我们今后的研究工作打算对香槟酒中形形色色的芳香族化合物进行考察,定量分析这种香气释放效应对它们所起的作用。
事实证明,与我们当初的设想相反,碳酸饮料中的泡腾现象堪称一项妙不可言的工具,有助于我们研究气泡的上升、膨胀及破裂等过程的物理化学特性。我们希望读者再也不会用老眼光来看待酒杯里的香槟酒了。