Sea Foam at Ocean Beach in San Francisco.
如果用透明玻璃杯舀出一些海水仔细观察，你会发现它充满了微小的颗粒。海水含有溶解的盐、蛋白质、脂肪、死藻、清洁剂和其他污染物，以及大量其他有机和人造物质。如果用力摇晃这杯海水，液体表面就会形成小气泡。当海洋被风和波浪搅动时，海洋泡沫就会以这种方式形成，但规模要大得多。每个沿海地区都有不同的海洋泡沫形成条件。 厚厚的海洋泡沫的常见来源之一是藻华。当大量藻华在近海腐烂，大量腐烂的藻类物质经常被冲上岸。当这种有机物被海浪搅动时，就会形成泡沫。大多数海洋泡沫对人类无害，并且通常表明海洋生态系统富有成效。但当大量有害藻华在海岸附近腐烂时，就有可能对人类健康和环境产生影响。例如，沿着墨西哥湾沿岸的海滩，在短卡伦藻（Karenia brevis）盛开期间，泡泡的破裂是藻类通过空气传播的一种方式。由此产生的气溶胶会刺激海滩游客的眼睛，并对患有哮喘或其他呼吸道疾病的人构成健康风险。科学家们在研究2007年加州海域和2009年太平洋西北地区海鸟死亡的原因时，还发现腐烂的明潮红藻华产生的肥皂状泡沫去除了羽毛上的防水层，使鸟类更难飞行。这导致许多鸟类出现致命的低温症。 泡沫的形成还与蛋白质有关。啤酒中就有大量二氧化碳和蛋白质等胶体物质。蛋白质是形成泡沫的基础，当二氧化碳喷出时，对啤酒产生了搅拌作用，从而产生出大量泡沫。肥皂等洗涤剂产生泡沫，大多也是这个道理，蛋白质起了表面活性剂的作用。蛋白质能形成泡沫的原因是蛋白质是疏水的，而不全是亲水的。氨基酸都是两性化合物，有亲水的氨基，也有亲油的羧基，蛋白质是两性的。在大量水中，蛋白质会互相结合成团，最终形成一个个圆形的泡沫。所以，蛋白质的疏水性越强，形成的泡沫就越稳定。 海面的白沫沫怎么这么难消： 或许还和海水中 的电解质有关！ 在纯水中搅动的气泡很容易合并，就不会有太多白沫沫。但气泡在海水中合并要慢得多。海面白色沫沫会在那里很久，就有这个原因。研究人员几十年来一直怀疑，这是由于海水里面有溶解的电解质。然而，这种效应具体怎么产生的，一直都是个谜。甚至，许多理论研究还认为电解质会加速气泡合并，
最近加拿大阿尔伯塔大学的机械工程师 刘（Liu Bo）与合作者找到了造成这种差异的根本原因：气泡碰撞消失之前，得先等气泡之间的一层液体先流走。而 电解质溶解时运动的离子会 产生了微小的力，正是这些力大大减缓了液体层流走的速率。 Nanoscale Transport during Liquid Film Thinning Inhibits Bubble Coalescing Behavior in Electrolyte Solutions，PHYSICAL REVIEW LETTERS 131, 104003 (2023)
刘和同事进行了一系列实验，更精确地测量电解质如何影响气泡合并。他们将玻璃毛细管的末端浸入液体表面下方，在末端产生气泡，迫使气泡以 3 毫米/秒的速度向下跑，直到它与下方附着在二氧化硅表面的气泡合并。他们测量分隔气泡的液膜厚度，并 监控液膜 厚度 降 至零。他们 使用光学 干涉测量， 精度达到纳米级别。 在纯水中，气泡像一个个刚性球，彼此接近时不改变形状，然后两个气泡接触后合并。而在电解质溶液中，气泡的合并过程明显分两个阶段。 起初，气泡表面变得越来越近，就像在纯水中一样。但一旦间距减小到大约40纳米 (nm)，接近表面的“前缘”就会变平，就好像存在某种排斥力一样。根据对不同尺寸的电解质和气泡进行的实验，这种扁平化使气泡合并延迟了2至14毫秒。 刘说，这些实验首次清楚地表明，电解质的存在会减缓最后阶段的气泡合并，此时气泡之间的液膜变得非常薄。但要从理论上解释这种效应更加困难。阿尔伯塔大学的罗杰里奥·马尼卡（Rogerio Manica）与多位同事合作，花了数年时间研究气泡合并，特别是影响两个接近的气泡之间的薄液膜如何流失的物理学。即便如此，他说，“我们手头的任何东西都无法解释观察到的实验数据。” 然而，在研究其他人的实验结果时，刘、马尼卡和合作者注意到，与纯水相比，几种电解质溶液的表面张力测量结果存在显着差异 。马尼卡说，这些观察结果激励他们提出详细的数学模型，用于描述合并气泡之间薄膜中电解质的传输。利用流体动力学方程，他们能够描述电解质的流动如何影响薄膜中的表面张力。 研究人员发现，当薄膜的厚度下降到30-50nm时，薄膜和其余液体之间的电解质浓度会出现差异。这种差异会产生小的表面张力梯度和相关的力，从而减慢液体从薄膜向外流动的速度。在输运方程的模拟中，研究人员发现，这种效应减缓了薄膜的排水速度，足以延迟薄膜破裂和最终的气泡合并，这与实验完全一致。“简而言之，”刘说，“电解质通过延长液膜的寿命，大大延迟了气泡的聚结。”刘说，这种情况解释了为什么白浪在含有大量电解质的咸水海洋中如此容易形成，但在淡水河流和湖泊中不太常见。 研究人员表示，既然我们能解释咸海水中容易产生泡沫的原因，我们或许能把这个原理用在许多工业应用上 。 例如，在水分子的电化学分解以生产氢气方面。在此过程中，溶液中气泡形成和聚结的方式对能源消耗和生产效率具有根本性影响。“这是一项优雅的工作，”巴黎法国国家科学研究中心 (CNRS) 的材料科学家 Adrien Bussonière 说道。他指出，研究人员发现的机制包括纳米尺度的效应（单个离子与薄膜相互作用）以及更大尺度的流体流动现象。“这种机制似乎对于不同的盐是通用的，并解决了许多无法解释的电解质实验 。” https://physics.aps.org/articles/v16/155 https://oceanservice.noaa.gov/facts/seafoam.html
