新的泡沫破裂理论可以帮助追踪海洋污染和病毒
液体表面的一个气泡破裂并产生三个喷射液滴——波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员澳门威尼斯人注册网站研究了第一个或顶部的液滴。任何被困在这种快速下降中的颗粒都更有可能变得高度集中。杜比斯基，麦克雷和伯德的好意
新的泡沫破裂理论可以帮助追踪海洋污染和病毒
波士顿大学的工程师们发现了为什么有些颗粒——比如微塑料——会通过破裂的气泡被浓缩和雾化，而另一些则不会
泡泡对每个人来说都很有趣。但事实证明，它们也可能是小小的威胁。
当气泡破裂时，它可以将粘在上面的任何颗粒浓缩并雾化。当它是一个商店里买的肥皂泡沫在院子里或在你的手上破裂时，这没什么大不了的。但当它携带的颗粒具有潜在危险时，这是一个主要的问题：在撞击波中捕获的气泡会将蒸发的微塑料送入空气中，它们可能会扰乱地球的大气；冲水马桶破裂的气泡会把细菌吹到附近的表面；一个冒着泡沫的游轮热水浴缸曾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澳门威尼斯人注册网站研究解释了为什么气泡会将一些污染物排放到空气中，而让其他污染物无害地下沉。在近距离观察气泡破裂时发生了什么之后，澳门威尼斯人注册网站研究人员发现了一种新的方法来预测哪些粒子被抛到高处，哪些粒子落下来——彻底改变了已有40年历史的流体动力学理论。他们的澳门威尼斯人注册网站研究结果发表在《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污染物的潜在海洋来源，或者海洋中的其他颗粒如何进入大气并充当云凝结核，改变气候，”莱娜·杜比茨基（ENG ' 23）说，她是波士顿大学流体实验室的博士生，也是论文的联合第一作者。“在公共卫生方面，这个模型有助于预测什么大小的水滴可能含有最多的病原体。”这对于确定疾病传播的容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至关重要。
简单来说，气泡就是气体周围的一层薄薄的液体。例如，孩子们喜欢吹的泡泡是被困在两层肥皂分子之间的一层水，中间是空气。如果你戳一下气泡，它就会形成一个洞，然后迅速变宽——整个气泡在不到十分之一秒的时间内破裂——迫使外层的肥皂层坍塌，将其分子聚集在一个更密集的空间里。所有这些运动和密度的变化，以及内部的空气向上和向外飞行，推动着水滴和肥皂迅速地飞向天空！
博士生Lena Dubitsky（中）和她的合著者，工程学博士后Oliver McRae（左），工程学机械工程副教授James Bird。他们用高速摄像机观察左边小盒子里的气泡破裂。杰克·贝尔彻摄
外层的收缩和这些液滴的喷射——尤其是第一个或顶部的液滴的喷射——是波士顿大学流体实验室新理论的核心。杜比茨基说：“在这项澳门威尼斯人注册网站研究中，我们关注的是喷射液滴，这是在气泡腔坍塌并喷射成液体射流时产生的，液体射流挤压成液滴。”“我们特别澳门威尼斯人注册网站研究了第一次喷射，因为它往往是最小和最快的，使它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。”任何被困在第一个爆炸液滴中的粒子也更有可能变得高度集中。
波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员在液体表面捕捉到了一个毫米大小的气泡破裂并产生了三个喷射液滴的镜头，它们集中在第一个液滴上。杜比斯基，麦克雷和伯德的好意
在过去的四十年里，澳门威尼斯人注册网站研究气泡的澳门威尼斯人注册网站研究人员认为，最重要的顶部液滴来自环绕整个气泡的均匀流体层，只有足够小的颗粒才会被拉进去，这意味着更大的颗粒会被留下。
“我们决定用非常大的粒子来对这个旧理论进行压力测试，发现它根本不适用，”Dubitsky说。
相反，他们发现形成顶部液滴的流体并不总是围绕着整个气泡，气泡的大小和粒子所在的位置也决定了什么东西在什么时候被喷射出来。如果这一切看起来有点深奥和技术，那就想想SARS-CoV-2吧。在过去的几年里，我们的健康与飞沫有着千丝万缕的联系——它们是如何传播的，它们携带着什么，它们在空气中停留了多久。
“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，真正重要的是什么大小的液滴变得超浓缩，”奥利弗·麦克雷（CAS ' 12, ENG ' 20, ' 20）说，他是该论文的联合第一作者，也是波士顿大学工程学院的博士后。“如果你有一个50微米的液滴（一微米是千分之一毫米），我们真的不关心那么多。如果你能够获得更大的粒子，并将它们传输到比以前想象的更远的地方，那将是一个关键的收获。”
这个小容器里装满了液体和塑料微粒。当液体表面的气泡破裂时，顶部的水滴会撞击悬浮在盒子上方的幻灯片，这样团队就可以分析携带的颗粒。杰克·贝尔彻摄
为了捕捉气泡的活动，澳门威尼斯人注册网站研究小组设置了一个容器，里面装满了液体和小的微塑料颗粒——小块聚苯乙烯。然后，他们在液体中吹出不同大小的气泡，用高速摄像机观察它们上升到表面并破裂。顶部的水滴会飞溅到液体表面上方的玻璃载玻片上，使澳门威尼斯人注册网站研究人员能够分析留下的颗粒。麦克雷随后用电脑模拟了气泡的破裂，这样他们就可以分析气泡的迅速消亡。
麦克雷说：“我们所看到的是，随着气泡的破裂，液体被扫向底部，最终成为一股射流，流体层变得越来越厚，因此压缩允许更大的颗粒进入。”
麦克雷对气泡破裂的模拟显示，在顶部液滴爆炸之前，膨胀的孔将外层压缩成一个更紧密的空间。杜比斯基，麦克雷和伯德的好意
对于较大的气泡，外层一开始是相当均匀的，完全包围着气泡；但在较小的气泡中，它只覆盖了下半部分。
麦克雷说：“这意味着，如果你是一种细菌或病毒，你被困在气泡的上半部分，你就永远无法进入小气泡的顶部。”“以前的理论没有考虑到这一点，或者没有预测到这一点。”
流体实验室首席澳门威尼斯人注册网站研究员、机械工程系副教授詹姆斯·伯德（James Bird）表示，这项澳门威尼斯人注册网站研究令人兴奋，因为它“开启了一种可能性，即比我们想象的要多得多，甚至比我们所能理解的框架还要多。”他说，举个例子，导致军团病的军团菌是通过破裂的气泡传播的，它的形状是细长的，而不是圆形的。他的团队的最新发现对于泡沫的破裂意味着什么？这对遏制疫情爆发意味着什么？
伯德说：“也许在厕所或游泳池里，人们可以采取一些策略来确保这些地方的致病性不会那么高。”“或者当你有新的东西，一种新的病毒或细菌时，有方法可以根据化学成分和形状来预测它被雾化的可能性。这项工作是一块垫脚石。”
这项澳门威尼斯人注册网站研究得到了美国国家科学基金会（NSF）和NSF澳门威尼斯人注册网站研究生澳门威尼斯人注册网站研究奖学金计划的支持。
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