為海浪“染色”的小氣泡

湖面被風拂過時，會漾起層層漣漪；海面被風拂過時，會被翻滾的海浪勾勒出一道道白色的浪花。同樣受到風的擾動，為什么海面會有白色的浪花，湖泊和河流中卻很難看到？

氣泡中的科學

海面的白色浪花是無數小氣泡聚在一起的結果。在湖泊、河流中，風浪沖擊形成的小氣泡會迅速聚并為大氣泡，隨后升浮、破裂，其中的氣體進入大氣；但海水中的電解質會抑制氣泡的聚并，使得風浪沖擊形成的小氣泡停留在海水中，它們聚在一起，折射光線，就形成了我們看到的白色浪花。

什么是電解質？

電解質是一類特殊的化合物，它們在溶于水或熔化的時候，能夠被電離，產生導電的離子，使溶液/熔液具有導電性。許多酸類（如鹽酸、硫酸）、堿類（如氫氧化鈉、氫氧化鉀）、鹽類（如氯化鈉、碳酸鈉、碳酸鈣）、金屬氧化物（如氧化鈉、氧化鈣）等都是電解質。

電解質不單單存在于實驗室的燒杯里，還藏在我們的生活中，就像調味料一樣無處不在。人體中也存在大量電解質，它們能夠維持細胞液的滲透壓，讓細胞處于穩定的狀態（這也是做菜時不能過早放鹽的原因之一，鹽會加速肉類組織中的水分流失，讓肉質變柴）。

同時，電解質還有維持身體酸堿平衡、維持神經信號傳遞和肌肉活動、保持心臟穩定跳動等功能。我們在高溫環境或運動過程中會大量出汗，體內的水分和電解質因此不斷流失，嚴重時會出現惡心、嘔吐、抽筋等癥狀，這時要盡快補充電解質。

氣泡的“舞會”

打開一瓶汽水，你會觀察到許多冒出來的小氣泡，它們是“跑”出來的二氧化碳氣體；開水沸騰時，你會看到大大小小的氣泡向上升起，“頂”得水面不斷翻滾。

從宏觀角度看，氣泡聚并如同一場社交盛事，大小不一的氣泡在液體中相互碰撞，最終攜手，匯聚成更大的氣泡。當我們把視角轉向微觀，則會發現更奇妙的故事。

兩個氣泡相互接近時，它們之間會形成一層薄薄的液體層，我們稱之為“液膜”。隨著它們進一步接觸，液膜中的液體開始悄悄溜走，變得越來越薄，直到厚度只有幾十納米——相當于一根頭發的1‰那么細。這時，戲劇性的一幕發生了——液膜崩塌、破碎，兩個小氣泡融合成一個新的大氣泡。

納米級的氣泡“社交”

過去，一直存在一個困擾科研人員的難題——海水中存在大量鹽類，按照傳統理論，它們應該促進而不是抑制氣泡聚并，但這與實際觀察到的現象存在矛盾。

氣泡在彼此接近的過程中會形成微納米級的液膜，科研人員自研儀器，創新性地觀測到了液膜的動態薄化過程，成功解開了這個難題。

薄膜干涉的應用

實驗室中常用的是光學顯微鏡，主要用來觀察微米尺度的實驗現象，而液膜排水的現象則主要發生在納米尺度。科研人員是如何看到這一過程的呢？其中的原理和我們看到的彩色肥皂泡是一樣的。

肥皂泡是由納米級厚度的水膜包裹空氣形成的，光線照射在肥皂泡上，從水膜上下兩個表面分別反射回來，反射的光線相互交疊、互相干擾，形成新的光波，從而呈現多彩的效果，這種現象叫作薄膜干涉。

科研人員運用同樣的原理，將一束光照射在電解質溶液中兩個氣泡間的液膜上，捕捉到一圈圈彩色條紋；通過對連續捕捉的干涉條紋圖進行分析，可以看出氣泡間液膜的動態薄化過程。

是什么在阻止聚并？

氣泡在電解質溶液中相互接近，形成一道液膜。起初，液膜之間的水快速流出，液膜也迅速變?。坏敋馀萁咏欢ǔ潭葧r（液膜厚度達30～50納米），排水像是被按下了暫停鍵，速度大幅降低，究其原因是離子在“搗鬼”。

離子喜歡待在電解質溶液中，卻不喜歡“貼”在氣泡上，因此，氣泡表面不均勻分布著許多只有水、幾乎沒有離子的小區域（小于1納米）。液膜向外排水時，這些區域只排水，無法排出電解質離子，使得液膜內的離子濃度不斷升高，從而與周圍溶液的離子濃度形成差異。濃度差異越來越明顯，產生張力，使氣泡表面變得難以移動，液膜排水的腳步因此被放慢，氣泡聚并的可能性也就被降低了。

我們為什么要探索氣泡聚并？

助力氫能革命

氫能是綠色低碳、應用廣泛的新能源。電解水制氫是獲取氫能的重要方式之一，但在制氫過程中會出現大量氣泡，它們的存在會讓電解系統能耗增加，也大大增加了安全風險。

如果可以誘導小氣泡聚并為大氣泡，強化氣泡的自脫附（吸附的逆過程）作用，或許能大幅度降低電解系統的能耗，為實現更清潔、更高效、更可持續的能源未來鋪平道路。

有效廢水處理

廢水處理是保障人類健康、保護環境、促進可持續發展的關鍵措施之一，具有不可替代的重要作用。氣泡聚并技術可以有效分離和降解廢水，幫助人們進行廢水處理，并且不會產生有害的化學物質，降低廢水對環境的污染。

在油水分離方面，聚并作用可以快速分離附著的油滴，提高廢水分離效率。此外，氣泡聚并產生氣液界面震蕩，有助于破壞沉淀層，促進污染物降解。

氣泡是污水處理中的重要角色。例如，將污水中的氣泡密度降到很低時，它們就會變成一個個小“潛艇”，帶著污水中的不溶性顆粒、油滴等污染物上浮。此外，在生物降解污水技術中，氣泡可以給微生物提供氧氣，就像給魚缸中的小魚輸氧，讓它們更有活力地消化水中的有機污染物。

氣泡聚并尺寸變大，會使供氧效率下降，噸水處理的能耗增加，因此，抑制氣泡聚并成為該技術的關鍵之一。通過技術手段合理調控（強化或抑制）氣泡聚并過程，有助于提升污水處理效率、降低系統能耗，為污水資源化的可持續發展奠定基礎。

氣泡聚并，不單是一場科學現象的展示，更是大自然匠心獨運的證明。無論是在科學研究的“桃源”之中，還是在繁忙喧囂的工業生產線上，或是我們的日常生活里，這一過程都有著無可替代的作用。了解它，就是幫助我們理解世界、改變生活、創造未來。

（責任編輯 / 牛一名 美術編輯 / 周游）