前面有一篇短文中介紹了水中的自由氣泡的演變過(guò)程。然而，在實(shí)際生活中，我們見(jiàn)到和經(jīng)常使用的卻是大量氣泡組成的泡沫。本文介紹一下泡沫的微觀結(jié)構(gòu)靜力學(xué)及其演變過(guò)程分析。

泡沫一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于浮力作用，大量的氣泡漂浮在液體的表層，從上往下含有的氣泡的體積分?jǐn)?shù)依次減小。在泡沫的研究中，把液體體積含量極少（通常少于1%）的泡沫成為干泡沫，把含量介于1%到約30%左右的泡沫成為濕泡沫。對(duì)于氣泡液體，幾乎所有的氣泡可以保持為球形，不用考慮氣泡之間直接接觸的氣泡膜問(wèn)題，這不屬于泡沫物理學(xué)研究的范疇。如圖1所示，泡沫的結(jié)構(gòu)尺度跨越10個(gè)數(shù)量級(jí)，從宏觀泡沫的演變規(guī)律，到微觀泡沫界面的穩(wěn)定機(jī)制，對(duì)于泡沫的研究橫跨了物理，材料，界面化學(xué)等多個(gè)學(xué)科。

圖1.不同尺度下的泡沫結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定機(jī)制(Ref 1)（a）整個(gè)泡沫結(jié)構(gòu)，尺度為0.01 m至1 m。（b）干泡沫的放大部分，尺度為0.1 mm至1 cm。（c）液體通道，也叫Plateau邊界，尺度為1 um至0.1 mm以及肥皂泡膜，尺度為10 nm到1 um。（d）氣液界面的分子層結(jié)構(gòu)，尺度為0.1 nm到10 nm。e-f）氣泡膜在界面靜電力排斥作用即楔裂壓（disjoining pressure）的作用下而穩(wěn)定存在。

（1）泡沫的結(jié)構(gòu)規(guī)律

圖2 Plateau及其干泡沫靜態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)三定律(Ref 1)

泡沫物理學(xué)集中于研究泡沫的結(jié)構(gòu)、靜力學(xué)、動(dòng)態(tài)演變及排液等內(nèi)容。它是一個(gè)十分古老的學(xué)科，由比利時(shí)物理學(xué)家Plateau在19世紀(jì)中葉開(kāi)創(chuàng)（圖2a）。Plateau在數(shù)十年的失明的時(shí)光里，依舊通過(guò)指導(dǎo)他侄子做試驗(yàn)，堅(jiān)持研究肥皂泡薄膜的幾何形態(tài)及其背后隱藏的力學(xué)規(guī)律。1873年，他和侄子把自己的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和分析結(jié)果做了系統(tǒng)整理，以法文發(fā)表，從此把對(duì)泡沫結(jié)構(gòu)的研究由定性印象推到了量化階段，開(kāi)創(chuàng)了泡沫物理學(xué)(Ref 2)。在泡沫靜力學(xué)方面，Plateau的主要貢獻(xiàn)在于其提出了干泡沫的靜態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)的三定律,它是后續(xù)泡沫研究的基石：

1）膜力學(xué)平衡：肥皂膜是光滑的，它的曲率半徑是處處相等的，其大小可以用Laplace方程去計(jì)算。對(duì)于2維泡沫，每條氣泡邊界都是圓弧的一部分(圖2b)；

2）邊力學(xué)平衡：三個(gè)肥皂膜相互接觸總是形成三條邊，且任意三條邊的夾角必須為120°(圖2b)，此時(shí)力平衡并且體系能量最低。

3）頂點(diǎn)力學(xué)平衡：當(dāng)四條邊在空間形成一個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，此頂點(diǎn)處的四條邊任意兩條的夾角都為109.5°，只有這個(gè)角度才能使膜以120°角互相連接達(dá)到力平衡(圖2c)。

（2）泡沫的演變

Plateau的泡沫結(jié)構(gòu)力學(xué)三定律對(duì)于后續(xù)泡沫的研究具有重要的意義。它直接引出了一系列有關(guān)氣泡的推論。

比如，依據(jù)Plateau第一定律，可以推出，相鄰三個(gè)相互接觸的氣泡的三條邊界上的曲率之和為零（Curvature sum rule）。其中最重要地是1952年von Neumann利用它推導(dǎo)出了二維泡沫的演變方程(Ref 3)。

推導(dǎo)二維泡沫的演變方程需要用到幾何荷數(shù)（Geometry charge）的概念。下面我們首先介紹一下幾何荷數(shù)的定義。

假設(shè)二維干泡沫中的任一氣泡如圖3b所示，氣泡的邊數(shù)為n，從a點(diǎn)開(kāi)始，再回到a的邊長(zhǎng)分別標(biāo)記為l1到ln，每邊所對(duì)應(yīng)的曲率為k1到kn（Plateau第一定律）。現(xiàn)在假設(shè)有一點(diǎn)從a點(diǎn)沿著邊向b運(yùn)動(dòng)，到b點(diǎn)時(shí)，所走的路徑為l1，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為這條邊所對(duì)應(yīng)的圓心角（向外為正，向內(nèi)為負(fù)值），為k1*l1。此時(shí)要想繼續(xù)沿著邊運(yùn)動(dòng)，需要向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)π/3角度（根據(jù)Plateau第二定律），如圖3b所示。轉(zhuǎn)動(dòng)后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到到達(dá)原來(lái)的點(diǎn)a。此過(guò)程，n條邊總共在頂點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為nπ/3，在邊上轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為

此點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向變化總共為2π，可建立關(guān)系：

則幾何荷數(shù)q的定義為：

圖3 Von Neumann及二維干泡沫演化規(guī)律(Ref 1)

幾何荷數(shù)的含義即是每邊所對(duì)應(yīng)的圓心角之和，其中對(duì)于氣泡而言往外凸起的邊為正值，往里凹下的邊其圓心角為負(fù)值。幾何荷數(shù)能夠反應(yīng)出氣泡的平均凹凸程度，是對(duì)氣泡平均形貌的一個(gè)表征。通過(guò)公式可以看出，邊長(zhǎng)大于6的氣泡平均是凹下的，邊長(zhǎng)等于6的氣泡平均是平的，而變長(zhǎng)小于6的氣泡，平均起來(lái)是凸起的，如圖3c所示。

下面我們推導(dǎo)二維泡沫的演變方程，由于任一氣泡跟周圍氣泡的氣體交換都是通過(guò)氣泡邊界進(jìn)行的，則氣泡體積（二維氣泡用面積表示）隨時(shí)間的變化率跟邊界長(zhǎng)度和邊界上的壓強(qiáng)差都有關(guān)系，可以表示為

式中λ為氣體傳輸系數(shù)，根據(jù)Laplace方程可得

結(jié)合上式及上面q的推導(dǎo)過(guò)程公式，可得

二維泡沫的演變方程表明，氣泡的變化只和其邊的個(gè)數(shù)有關(guān)，對(duì)于邊長(zhǎng)大于6的氣泡，隨著演化體積會(huì)增大，邊長(zhǎng)等于6的氣泡，其體積保持不變。而對(duì)于邊長(zhǎng)小于6的氣泡，其體積會(huì)逐漸變小。注意，這兒體積保持不變，不代表氣泡不與外界發(fā)生氣體傳輸，只是表示進(jìn)入氣泡和出去氣泡的體積是相等的，總體顯示體積顯示不變，也不代表氣泡的邊界不發(fā)生移動(dòng)。

Von Neumann的二維演變方程的著名及其重要性是它不單單適用于二維泡沫，凡是具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的二維體系，界面移動(dòng)受界面張力調(diào)控，其速率受界面曲率調(diào)控的情形都可以用這個(gè)方程去表達(dá)。這種情形在自然界中是十分普遍的，比如如水上面油脂分子層的演化、熔化時(shí)晶界的變化、冰晶的生長(zhǎng)等(Ref 5,Ref 6)。

自從Von Neumann推出了二維泡沫的演變方程以來(lái)，人們一直希望能推導(dǎo)出三維泡沫的演變方程，直到50多年后的2007年，美國(guó)葉史瓦大學(xué)MacPherson等在Nature上發(fā)表了一篇題為“把von Neumann方程拓展到三維微結(jié)構(gòu)粗化的研究”（The von Neumann relation generalized to coarsening of three-dimensional microstructures）的論文，完成了對(duì)三維泡沫體系演變方程的推導(dǎo)(Ref 7)。之后，加利福尼亞大學(xué)的Saye等于2013年在Science上發(fā)表論文，從模擬上實(shí)現(xiàn)了三維泡沫的結(jié)構(gòu)重排、排液、破裂等一系列過(guò)程（圖4），在泡沫演變歷史上具有劃時(shí)代的意義(Ref 4)。至此，人們對(duì)泡沫演變的規(guī)律得到了充分的認(rèn)識(shí)。

圖4目前對(duì)三維干泡沫演變的模擬研究65

Ref 1:I.Cantat,S.et al.Foams:Structure and Dynamics.Oxford University Press,Oxford,(20

Ref 1:I.Cantat,S.et al.Foams:Structure and Dynamics.Oxford University Press,Oxford,(2013).

Ref2：孫其誠(chéng)&譚靚慧.泡沫物理學(xué)史拾萃.物理37,473-481(2008).

Ref3：Neumann,J.v.in Metal Interfaces(ed.Herring,C.),108-110(Americal Society for Metals,Cleveland,1952).

Ref 4:Saye,R.I.&Sethian,a.J.A.Multiscale Modeling of Membrane Rearrangement,Drainage,and Rupture in Evolving Foams.Science 340,720(2013).

Ref 5:Stavans,J.The evolution of cellular structures.Rep.Prog.Phys.56,733-789(1993).

Ref 6 Glazier,J.A.&Weaire,D.the kinetics of cellular patterns.J.Phys.:Condens.Matter 4,1867-1894(1992).

Ref 7:MacPherson,R.D.&Srolovitz,D.J.The von Neumann relation generalized to coarsening of three-dimensional microstructures.Nature 446,1053-1055(2007).

注：本文節(jié)選自本人博士畢業(yè)論文前言部分。