湖面被風(fēng)拂過時(shí)，會(huì)漾起層層漣漪；海面被風(fēng)拂過時(shí)，會(huì)被翻滾的海浪勾勒出一道道白色的浪花。同樣受到風(fēng)的擾動(dòng)，為什么海面會(huì)有白色的浪花，湖泊和河流中卻很難看到？

氣泡中的科學(xué)

海面的白色浪花是無數(shù)小氣泡聚在一起的結(jié)果。在湖泊、河流中，風(fēng)浪沖擊形成的小氣泡會(huì)迅速聚并為大氣泡，隨后升浮、破裂，其中的氣體進(jìn)入大氣；但海水中的電解質(zhì)會(huì)抑制氣泡的聚并，使得風(fēng)浪沖擊形成的小氣泡停留在海水中，它們聚在一起，折射光線，就形成了我們看到的白色浪花。

什么是電解質(zhì)？

電解質(zhì)是一類特殊的化合物，它們?cè)谌苡谒蛉刍臅r(shí)候，能夠被電離，產(chǎn)生導(dǎo)電的離子，使溶液/熔液具有導(dǎo)電性。許多酸類（如鹽酸、硫酸）、堿類（如氫氧化鈉、氫氧化鉀）、鹽類（如氯化鈉、碳酸鈉、碳酸鈣）、金屬氧化物（如氧化鈉、氧化鈣）等都是電解質(zhì)。

電解質(zhì)不單單存在于實(shí)驗(yàn)室的燒杯里，還藏在我們的生活中，就像調(diào)味料一樣無處不在。人體中也存在大量電解質(zhì)，它們能夠維持細(xì)胞液的滲透壓，讓細(xì)胞處于穩(wěn)定的狀態(tài)（這也是做菜時(shí)不能過早放鹽的原因之一，鹽會(huì)加速肉類組織中的水分流失，讓肉質(zhì)變柴）。

同時(shí)，電解質(zhì)還有維持身體酸堿平衡、維持神經(jīng)信號(hào)傳遞和肌肉活動(dòng)、保持心臟穩(wěn)定跳動(dòng)等功能。我們?cè)诟邷丨h(huán)境或運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)大量出汗，體內(nèi)的水分和電解質(zhì)因此不斷流失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)惡心、嘔吐、抽筋等癥狀，這時(shí)要盡快補(bǔ)充電解質(zhì)。

氣泡的“舞會(huì)”

打開一瓶汽水，你會(huì)觀察到許多冒出來的小氣泡，它們是“跑”出來的二氧化碳?xì)怏w；開水沸騰時(shí)，你會(huì)看到大大小小的氣泡向上升起，“頂”得水面不斷翻滾。

從宏觀角度看，氣泡聚并如同一場(chǎng)社交盛事，大小不一的氣泡在液體中相互碰撞，最終攜手，匯聚成更大的氣泡。當(dāng)我們把視角轉(zhuǎn)向微觀，則會(huì)發(fā)現(xiàn)更奇妙的故事。

兩個(gè)氣泡相互接近時(shí)，它們之間會(huì)形成一層薄薄的液體層，我們稱之為“液膜”。隨著它們進(jìn)一步接觸，液膜中的液體開始悄悄溜走，變得越來越薄，直到厚度只有幾十納米——相當(dāng)于一根頭發(fā)的1‰那么細(xì)。這時(shí)，戲劇性的一幕發(fā)生了——液膜崩塌、破碎，兩個(gè)小氣泡融合成一個(gè)新的大氣泡。

納米級(jí)的氣泡“社交”

過去，一直存在一個(gè)困擾科研人員的難題——海水中存在大量鹽類，按照傳統(tǒng)理論，它們應(yīng)該促進(jìn)而不是抑制氣泡聚并，但這與實(shí)際觀察到的現(xiàn)象存在矛盾。

氣泡在彼此接近的過程中會(huì)形成微納米級(jí)的液膜，科研人員自研儀器，創(chuàng)新性地觀測(cè)到了液膜的動(dòng)態(tài)薄化過程，成功解開了這個(gè)難題。

01

薄膜干涉的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)室中常用的是光學(xué)顯微鏡，主要用來觀察微米尺度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而液膜排水的現(xiàn)象則主要發(fā)生在納米尺度。科研人員是如何看到這一過程的呢？其中的原理和我們看到的彩色肥皂泡是一樣的。

肥皂泡是由納米級(jí)厚度的水膜包裹空氣形成的，光線照射在肥皂泡上，從水膜上下兩個(gè)表面分別反射回來，反射的光線相互交疊、互相干擾，形成新的光波，從而呈現(xiàn)多彩的效果，這種現(xiàn)象叫作薄膜干涉。

科研人員運(yùn)用同樣的原理，將一束光照射在電解質(zhì)溶液中兩個(gè)氣泡間的液膜上，捕捉到一圈圈彩色條紋；通過對(duì)連續(xù)捕捉的干涉條紋圖進(jìn)行分析，可以看出氣泡間液膜的動(dòng)態(tài)薄化過程。

02

是什么在阻止聚并？

氣泡在電解質(zhì)溶液中相互接近，形成一道液膜。起初，液膜之間的水快速流出，液膜也迅速變薄；但當(dāng)氣泡接近一定程度時(shí)（液膜厚度達(dá)30～50納米），排水像是被按下了暫停鍵，速度大幅降低，究其原因是離子在“搗鬼”。

離子喜歡待在電解質(zhì)溶液中，卻不喜歡“貼”在氣泡上，因此，氣泡表面不均勻分布著許多只有水、幾乎沒有離子的小區(qū)域（小于1納米）。液膜向外排水時(shí)，這些區(qū)域只排水，無法排出電解質(zhì)離子，使得液膜內(nèi)的離子濃度不斷升高，從而與周圍溶液的離子濃度形成差異。濃度差異越來越明顯，產(chǎn)生張力，使氣泡表面變得難以移動(dòng)，液膜排水的腳步因此被放慢，氣泡聚并的可能性也就被降低了。

我們?yōu)槭裁匆剿鳉馀菥鄄ⅲ?/strong>

01

助力氫能革命

氫能是綠色低碳、應(yīng)用廣泛的新能源。電解水制氫是獲取氫能的重要方式之一，但在制氫過程中會(huì)出現(xiàn)大量氣泡，它們的存在會(huì)讓電解系統(tǒng)能耗增加，也大大增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

如果可以誘導(dǎo)小氣泡聚并為大氣泡，強(qiáng)化氣泡的自脫附（吸附的逆過程）作用，或許能大幅度降低電解系統(tǒng)的能耗，為實(shí)現(xiàn)更清潔、更高效、更可持續(xù)的能源未來鋪平道路。

02

有效廢水處理

廢水處理是保障人類健康、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施之一，具有不可替代的重要作用。氣泡聚并技術(shù)可以有效分離和降解廢水，幫助人們進(jìn)行廢水處理，并且不會(huì)產(chǎn)生有害的化學(xué)物質(zhì)，降低廢水對(duì)環(huán)境的污染。

在油水分離方面，聚并作用可以快速分離附著的油滴，提高廢水分離效率。此外，氣泡聚并產(chǎn)生氣液界面震蕩，有助于破壞沉淀層，促進(jìn)污染物降解。

氣泡是污水處理中的重要角色。例如，將污水中的氣泡密度降到很低時(shí)，它們就會(huì)變成一個(gè)個(gè)小“潛艇”，帶著污水中的不溶性顆粒、油滴等污染物上浮。此外，在生物降解污水技術(shù)中，氣泡可以給微生物提供氧氣，就像給魚缸中的小魚輸氧，讓它們更有活力地消化水中的有機(jī)污染物。

氣泡聚并尺寸變大，會(huì)使供氧效率下降，噸水處理的能耗增加，因此，抑制氣泡聚并成為該技術(shù)的關(guān)鍵之一。通過技術(shù)手段合理調(diào)控（強(qiáng)化或抑制）氣泡聚并過程，有助于提升污水處理效率、降低系統(tǒng)能耗，為污水資源化的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

責(zé)任編輯｜牛一名岳煥琦

運(yùn)營(yíng)編輯｜岳煥琦
質(zhì)量審核 | 趙青云 王維嘉
圖文來源 | 《知識(shí)就是力量》雜志《為海浪“染色”的小氣泡》，撰文/劉博 劉宇曦 袁方 楊強(qiáng)（華東理工大學(xué)），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。