姜啟明
姜啟明
【新三才首發】一位大學生最近解決了一個困擾物理學家半個多世紀的問題：為什麼氣泡似乎會卡在狹窄的垂直管中？答案可能有助於解釋被困在多孔岩石中的天然氣的行為。
幾年前，物理學家注意到，在充滿液體的足夠狹窄的試管中，氣泡不會移動。但瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）機械工程系助理教授約翰·科林斯基（John Kolinski）說，這是「一種悖論」。
這是因為氣泡比它周遭的液體密度小，因此它應該上升到管子的頂部（就像氣泡水裏的汽泡上升到水面上一樣）。此外，在液體中移動時唯一的阻力是被移動的液體，但在這種情況下，液體會保持靜止。
為了解決難以對付的泡沫問題，科林斯基和目前正在蘇黎世聯邦理工學院攻讀碩士學位，而當時在科林斯基實驗室工作的工程學大學生Wassim Dhaouadi，因此決定使用一種稱為「干涉顯微鏡」的方法進行探測。科林斯基說，這種方法與激光干涉儀重力波天文台（LIGO）偵測器用於查找引力波的方法相同。
但是在這種情況下，研究人員使用了定製的顯微鏡，顯微鏡將光照射到樣品上並測量反彈回來的光的強度。由於光線的反射會根據其撞擊的東西而有所不同，因此測量反彈的光線可以讓研究人員弄清楚材料的「厚度」。通過這種方式，他們探測到了陷在細管中的漂浮氣泡，細管中裝有稱為異丙醇的酒精。酒精使他們能夠進行「自我清潔實驗」，而這是必要的，因為實驗結果會被任何形式的污垢破壞，科林斯基說。
從1960年代的一位名為Bretherton的科學家開始，研究人員從理論上探討了這一現象，但在此之前從未對其直接進行過測量。科林斯基說，一些計算認為，氣泡被一層非常薄的液體包圍，並接觸到管子的側壁，包圍的液體逐漸減少，最終消失。當氣泡上升時，該薄層將對氣泡的運動產生阻力。
研究人員確實觀察到了氣泡周圍非常薄的一層，並測得其厚度約為1奈米。正如理論工作所預料的那樣，這就是終止了氣泡運動的原因。但是他們還發現，液體層（是由於氣泡中的壓力推向管壁而形成）並沒有消失，而是始終保持恆定的厚度。
根據他們對流體薄層的測量，他們還能夠計算其速度。他們發現，由於薄層產生的阻力，氣泡根本沒有被卡住，而是以肉眼看不見的速度「異常緩慢」地運動。但是，他們還發現，通過加熱液體和氣泡，他們能夠使薄層消失――這是一個新穎的想法，在未來的研究中可能會有「令人興奮」的發現。
他們的發現可能有助於地球科學領域的發展。每當你發現蘊含在多孔介質中的氣體時，例如在多孔岩石中的天然氣，相反的或者你試圖捕獲岩石中二氧化碳，那麼在密閉空間中就會有很多氣泡，科林斯基說。「我們的觀察與這些氣泡如何被限制的物理學有關。」
但是令人興奮的另一部分是，科林斯基說，這項研究表明「你可以讓人們在其職業的各個階段都做出寶貴的貢獻」，Dhaouadi「推動該計畫邁向了成功之路」。
這些發現發表在12月2日的《Physical Review Fluids》期刊上，最初則發表在《生命科學》上。
（編譯：心宇）
（責任編輯：姜啟明）
（文章來源：新三才首發）
