Nature Physic: 被污染物覆盖的气泡破裂更容易产生微米级气溶胶

2023-04-17 03:04

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液体表面的气泡破裂过程会在空气中产生大量的微小液滴。这些液滴形成的气溶胶在液-气之间的质量和动量传递中扮演了关键的角色，而且这些空气传播的气溶胶可能包含有液体中的污染物以及病原体，因此分析和研究产生这些气溶胶的机理显得尤为重要。

伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的冯杰教授课题组研究讨论了表面覆盖有薄油层的气泡在气液界面的破裂现象。在已有的研究报道中，毫米级气泡破裂只会产生亚毫米级射滴（jet drop），但本研究首次发现此类气泡破裂时产生的射滴可以小到微米级。由于此类被污染物覆盖的气泡在自然界中广泛存在，而且微小的气溶胶更容易在大气中留存，故而该工作揭示了气泡破裂对产生含污染物或者病原体的微小气溶胶的重要影响。分析这种液滴产生机理对我们了解液气界面物质传输以及气溶胶的理化特性极为重要，有助于后续研究气溶胶的产生通量，以及其大气化学过程。

图1. （a-c，e, g, h, f）具有表面油层的气泡及其破裂产生射流的高速摄像侧视图；(d, f) 纯净气泡破裂的高速摄像侧视图

如图1所示，课题组利用高速摄影研究了由薄油层形成的多层复合表面对于气泡在气液界面中破裂机制的影响。实验中捕捉到了半径低至气泡半径两个数量级以下的射流液柱，其速度远高于相同半径的纯净气泡产生的的射流液柱，被称为奇异射流液柱。相比于纯净气泡，同一尺寸的气泡具有此类复合表面时能够在更广的液体粘度范围内产生这种奇异射流液柱，从而产生颗粒更小的射滴。高速摄影记录了油层对于气泡破裂过程中表面波的传播和耗散过程，并且捕捉到了在奇异射流液柱产生后，在底层液体中产生的微小气泡。

本文同时利用Basilisk进行了多相流的自适应网格模拟。模拟很好还原了实验中观察到的奇异射流，并为进一步的分析提供了定量化的支持。如图2所示，气泡破裂中产生的表面毛细波可以分为传播较慢，幅度较大，能量较强的主波和传播较快，幅度较小，能量较低，以次级波为代表的前驱波。前驱波先行到达气泡底部，对主波的汇聚起到扰动作用，而主波最终聚焦于气泡底部，产生了向上的射流。油层的存在对于表面波的传播产生了复杂的耗散作用，表现为实验和模拟中幅度更平缓的前驱波。前驱波的耗散有利于主波在气泡底部聚焦，从而促发了奇异液柱射流的产生。

图 2. 具有不同表面气泡破裂及射滴的模拟

为了进一步从理论上解释和预测奇异射流液柱产生的参数范围，本文通过双层流体的波动模型估计了表面波传播中的耗散，从中得出了奇异射流液柱产生的临界条件。理论临界条件很好地符合了我们的实验结果，并揭示出油层在表面波耗散过程中具有双重效应 (图3)。首先，前驱波的波长更短，受到较薄油层的影响也更大；其次，油层能够缩短前驱波的波长以增强耗散。

图 3. 奇异射流产生的实验结果、模拟结果及理论预测对比相图

和纯净气泡相比，由薄油层（污染物）覆盖的气泡破裂时可以产生更多更小的液滴。这些更小的液滴将在空气中停留更长的时间，并可能形成传播距离更远，尺寸更小的气溶胶。因此，在被污染的水体附近，本文的结论对防范气溶胶空气传播的相应政策和防护设备提出了新的挑战。

图 4. 左：大量有表面油层覆盖的气泡破裂产生的射滴；右:大量纯净气泡破裂产生的射滴

本文对由薄油层覆盖的气泡破裂产生的奇异射流液柱进行了探索并提供了理论支持。了解这一过程可以加深对大气中凝结核以及污染物传播的认识。这一研究结果也显示，为抑制大气环境和工业中有害气溶胶的形成，需要加强对气泡破裂过程的控制。

本研究成果近期以“Enhanced singular jet formation in oil-coated bubble bursting”为题发表在Nature Physic上。伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的冯杰教授为论文通讯作者，该校杨正宇博士生与冀秉强博士后研究员（现为香港城市大学博士后研究员）为论文共同第一作者，布朗大学的Jesse T. Ault教授为共同作者。