新的泡沫爆破理论可以帮助追踪海洋污染和病

泡泡对每个人都很有趣。但是，事实证明，它们也可能是小威胁。

当气泡破裂时，它可以集中并雾化粘在其上的任何颗粒。当它是商店买的肥皂泡在院子里或你的手上破裂时，没什么大不了的。

但是，当它携带的颗粒具有潜在危险时，这是一个主要问题：在冲击波中捕获的气泡会将汽化的微塑料发送到空气中，在那里它们可能会扰乱地球的大气层;冲水马桶爆裂的气泡会把细菌计扔到附近的表面上;一个起泡的游轮热水浴缸曾经被证明是军团病的超级传播者。

现在，波士顿大学工程师的一项新研究说明了为什么气泡会向空气中发射一些污染物，同时允许其他污染物无害地下沉。在近距离观察气泡破裂时会发生什么之后，研究人员发现了一种预测哪些粒子被抛得很高以及哪些粒子落下的新方法，彻底改变了一个已有40年历史的流体动力学理论。他们的研究结果发表在《物理评论快报》上，可以帮助科学家追踪海洋污染或更准确地预测病毒的传播性。

“有了这个新理论，我们可以更好地模拟潜在的海洋污染物来源，或者海洋中的其他粒子如何进入大气并充当云凝结核，改变气候，”BU流体实验室的博士生Lena Dubitsky说。“在公共卫生方面，该模型有助于预测可能含有最多病原体的液滴大小。

这对于确定疾病传播的难易程度或一小滴病毒是否可以通过保护我们下呼吸道的防御系统潜入病毒至关重要。

简单来说，气泡是围绕气体的一层薄薄的液体。例如，孩子们喜欢吹的气泡是被困在两层肥皂分子之间的一层水，中间有空气。

如果你戳气泡，它会产生一个洞，这个洞会迅速扩大——整个气泡在不到十分之一秒的时间内破裂——迫使外部肥皂层塌陷，将其分子聚集在一个更密集的空间中。所有这些运动和密度的变化——以及里面飞来飞去的空气——都会迅速将水和肥皂滴推向天空。

外层的后退和这些液滴的喷射 - 特别是第一个或顶部的液滴退出 - 是BU流体实验室新理论的核心。“我们在这项研究中专注于喷射液滴，这是当气泡腔坍塌并喷射成液体射流时产生的，液体射流会夹成液滴，”Dubitsky说。“特别是，我们研究了第一次喷射液滴，因为它往往是最小和最快的，使其更有可能悬浮在大气中，被运送到最远的地方，或者被深深吸入呼吸道。

被困在第一次爆炸液滴中的任何颗粒也更有可能变得高度浓缩。

在过去的四十年里，研究气泡的研究人员认为最重要的顶部液滴是从围绕整个气泡的均匀流体层中抽出的 - 只有小到足以坐在该层中的颗粒才会被拉入其中，这意味着更大的颗粒会被抛在后面。

“我们决定使用非常大的颗粒来对这个旧理论进行压力测试，发现它根本不适用，”杜比茨基说。

相反，他们发现形成顶液滴的流体并不总是围绕整个气泡，气泡的大小和颗粒所在的位置也决定了喷射什么以及何时喷射。如果这一切看起来有点深奥和技术性，那就想想SARS-CoV-2吧。在过去的几年里，我们的健康与飞沫密不可分——它们如何传播，它们携带什么，它们在空气中徘徊了多长时间。

“为了预测特定病原体的传染性，人们需要知道感染剂量，所以当这些液滴变得超浓缩时，变得超浓缩的大小真的很重要，”该论文的联合主要作者Oliver McRae说。

“如果你有一个50微米的液滴[一微米是千分之一毫米]，我们并不真正关心那么多。如果你能够获得更大的颗粒并将它们运输得比以前想象的更远，这是一个关键的收获。

为了捕捉气泡的作用，研究小组设置了一个装满液体和小微塑料颗粒的容器 - 小块聚苯乙烯。然后，他们将不同大小的气泡吹入液体中，使用高速摄像机观察它们上升到表面并破裂。顶部的水滴会溅到流体表面上方的载玻片上，使研究人员能够分析留下的颗粒。麦克雷随后创建了破裂气泡的计算机模拟，以便他们可以解剖它们的快速死亡。

“我们看到的是，随着气泡坍塌，流体被扫向底部，最终变成射流，流体层变得越来越厚，”麦克雷说，“因此压缩允许更大的颗粒进入。

对于较大的气泡，外层开始时非常均匀，完全包围气泡;然而，在较小的气泡上，它几乎没有覆盖下半部分。

“这意味着如果你是细菌或病毒，并且你被困在气泡的上半部分，你永远不会进入小气泡的顶部，”麦克雷说。“这在以前的理论中没有被考虑或预测到。

根据ENG机械工程副教授、流体实验室首席研究员詹姆斯·伯德(James Bird)的说法，这项研究令人兴奋，因为它“开辟了一种可能性，即发生的事情比我们想象的要多得多，甚至比我们所能欣赏的框架还要多。

例如，他说，引起军团病并通过破裂的气泡运输的军团菌具有细长而不是圆形的形状。他的团队的最新发现对它如何被泡沫的爆裂所席卷意味着什么?这对遏制疫情意味着什么?

“也许在厕所或游泳池中，可以采取一些策略来确保其中一些地方不会致病，”伯德说。“或者，当你有新的东西，一种新型病毒或细菌时，有办法预测，仅仅根据化学和形状，它被雾化的可能性有多大。这项工作是一块垫脚石。