格物志-「泡泡」的美麗秘笈

原稿：2017級物理學 趙永霜

編輯：2017級物理學 董思佳

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我們首先來說一下泡泡吧

有沒有喚起你童年的回憶呢？泡泡在陽光照射下五彩斑斕的，總有一種夢幻的感覺，不知道你發現這個現象沒有，當泡泡吹出後，開始時上升，隨後便會下降，why?

原來呀，在開始的時候，泡泡里是從嘴裡吹出的熱空氣，泡泡的膜把它與外界隔開，形成里外兩個區域，裡面的熱空氣溫度大於外部空氣的溫度。此時，泡泡內氣體的密度小於外部空氣的密度，根據阿基米得原理可知，此時泡泡受到的浮力大於它受到的重力，因此它會上升。這個過程就跟熱氣球的原理是一樣的。隨著上升過程的開始和時間的推移，泡泡內、外氣體發生熱交換，內部氣體溫度下降，因熱脹冷縮，肥皂泡體積逐步減小，它受到的外界空氣的浮力也會逐步變小，而其受到的重力不變，這樣，當重力大於浮力時，泡泡就會下降。

冬天到了，還有這樣一種「神奇的泡泡」哦。在足夠寒冷的戶外，吹上一個泡泡，人們可以看到相當驚艷的一幕：在肥皂泡表面，許多小小的冰晶均勻地分散開來，彷彿就像是有人搖動了雪花球。這些小冰晶逐漸凝結生長，直到整個泡泡都被凍結。

這是為什麼呢？研究者們給出了他們的解釋。他們在-20℃的冷凍室中拍攝並觀察了附著在固體表面的肥皂泡如何凍結。他們也觀察到了宛如雪花球的結冰現象。

根據視頻記錄，研究者闡釋了這種現象具體的發生過程

首先，在靠近固體表面的泡泡底部產生了小冰晶。

凝固是會放熱的，同時無論薄薄的肥皂泡膜還是周圍的空氣都不會很快導走熱量，於是生產小冰晶的局部液膜溫度變得比其他地方高了一點。

現在，肥皂泡膜的不同部位溫度出現差異了，而這也會帶來表面張力的差異。於是，Marangoni Effect【馬拉高尼效應，是指當一種液體的液膜當受外界擾動（如溫度、濃度）而使液膜局部變薄時，它會在表面張力梯度的作用下形成馬拉高尼流，使液體沿最佳路線流回薄液面，進行「修復」】出現了。結果是，隨著液膜上形成的對流，底部的小冰晶開始向上移動。

隨著移動，小冰晶充滿了泡泡膜，剩餘的液體繼續在上面凝結。因為凝結核小冰晶的均勻分散，整個泡泡非常均勻地凍結，因此也更容易在完全凍結之前保持完整。

當然在上面你是不是發現了呈六角形的雪花，很漂亮有木有，那麼問題來了，為什麼雪花呈六角形呢？

這個過程涉及水在大氣中的結晶過程。大氣中的水分子在冷卻到冰點以下時，就開始凝華，而形成水的晶體，即冰晶。冰晶和其他一切晶體一樣，其最基本的性質就是具有規則的幾何外形。冰晶屬六方晶系，六方晶系具有四個結晶軸，其中三個輔軸在一個平面上，互相以六十度角相交；另一主軸與這三個輔軸組成的平面垂直。六方晶系的最典型形狀是六稜柱體。但是，當結晶過程中主軸方向晶體發育很慢，而輔軸方向發育較快時，晶體就呈現出六邊形片狀。

最後，觀看一組驚艷的圖片吧。（科學表明，在零下環境中潑出熱水會化作一團冰晶。加拿大攝影師邁克爾·戴維斯和朋友馬庫斯在加拿大北極圈零下35攝氏度的地方拋灑一保溫杯熱水，用相機記錄下這一奇妙的景象。）

哈哈，這樣的物理世界有沒有將你驚艷到呢？

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