相信大家在小时候都玩过“肥皂泡”，只要有足够的耐心与技巧，一定可以吹出一个够大，够漂亮的“肥皂泡”。我们都知道肥皂泡的基本原理在于表面张力，通过在水中加入表面活性剂，显著的降低表面张力，使稳定液面的曲率半径更大，从而形成“肥皂泡”。讲到这里，相信大家就有着疑问，为什么我们家的肥皂水从来吹不出漂亮的泡泡呢，因为仅仅是表面活性剂的存在是不够，还需要加入少量但重要的聚合物作为稳定剂。漂亮的肥皂泡转瞬即逝，非常容易被破坏，这是因为它处于一种亚稳态并不稳定，在外界碰触时，稳态被破坏，导致泡泡破裂。
泡泡的吹起与破裂不仅仅可以作为一个游戏，在工业生产中也存在着广泛的用途。在食品工业，胶黏剂等领域需要大量的发泡，以形成空腔，制备低密度填充物；在涂料工业等领域则需要消泡剂的存在，以提高漆膜的质量。因此气泡的气液相界面破裂原理是工业界急需解决的重要问题，另一方面也是胶体界面化学领域的一个重要基础科学问题。
近日，美国波士顿大学的James C. Bird教授课题组对这一问题进行了深入的研究，发现表面张力是导致气泡在粘性液体中破裂的决定性因素，颠覆了传统认为重力是决定性因素的认识。相关研究以“A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscous bubble collapse upside down”为题，以封面论文的形式，发表于世界一流期刊《Science》。
在液体内部的气体，会聚集形成气泡，而后由于气泡本身浮力的原因，必然会上升，到达界面处形成一个由内部束缚的气体所支撑的薄膜穹顶，而后薄膜穹顶会发生破裂。在低粘度液体中，由于表面张力和惯性的原因，气泡寿命非常短，会在数毫秒内瞬间破裂。但是在自然界和工业界广泛存在的高粘度液体中气泡的破裂过程则大不相同。高粘度液体中气泡寿命会更长，在界面处形成气泡初期，由于气泡的完整性，可以束缚气体，内部气体对气泡有支撑，而后气泡顶部破裂产生一孔洞，内外压强一致，气泡无法被支撑，气泡周围形成褶皱，导致结构不稳定，进而破裂。先前的研究认为，重力和顶部的孔洞是这一演化过程中的决定性影响因素。
在本研究中，研究者通过研究不同位置（正置，侧置，倒置）泡泡的破裂过程，我们发现，在不同位置的泡泡重力的方向大不相同，但是其破裂过程基本一致，因此初步判断重力不是决定其破裂行为的决定性因素。以直径为1 mm的气泡在粘度为106 cPD的液体中，计算其毛细力与重力的影响之比，Fc/Fg≈80，也可以看出由表面张力决定的毛细力是气泡破裂过程中的决定性因素。
在此基础上研究者又研究了气泡坍塌过程中的动力学过程。通过理论推理证明，在表面张力推动气泡崩塌的过程中，气泡的高度与崩塌速度取决于，气泡的厚度与粘度。研究者通过实验，研究不同粘度硅油的崩塌过程。首先通过利用高速摄像机，证明了粘度与气泡高度之间的关系，且通过增加粘度可以有效的延缓气泡的崩塌。而后通过单色光衍射条纹测定气泡顶端的厚度，证明了气泡厚度与崩塌速度之间的关系。也进一步论证了气泡崩塌过程中，表面张力是主要推动力。
在先前的研究中认为，气泡表面产生的孔洞也是，产生褶皱的决定性因素之一。在此研究者们设计了一个装置，在气泡达到最大后，由底部将气体释放，在不产生孔洞的情况下，使气泡消融，在此过程中气泡表面仍然产生了褶皱。研究者认为这是由于，在气体释放，气泡失去支撑后，气泡的收缩过程中的箍压缩大于表面张力的作用，产生褶皱。
James C. Bird课题组通过研究不同位置气泡的破裂形态，发现表面张力是推动气泡破裂的主要推动力来源，重力在其中起的作用微不足道，并且表面张力也是决定粘性气泡行为和起皱的主要因素。他们也开发出一个预测模型，使得粘性液体中的气泡在所有条件下都不会产生褶皱，并且描述了一个这样的场景。这一研究也对于工业生产粘性液体中气泡行为的调控有着重要的指导意义。
https://science.sciencemag.org/content/369/6504/685
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/aaft-stn080320.php
