玩肥皂泡也能发顶刊？机理揭示全靠这台仪器

　　仪器信息网讯 吹泡泡是大多数人儿童时的回忆，玩肥皂泡听起来似乎只是儿童的游戏。

　　在科学家眼中，同一件事却有不同的视角。美国弗吉尼亚理工学院的Jonathan Boreyko及同事研究了肥皂泡冻结的热传递过程，并在Nature Communications上发表的研究成果，揭示了肥皂泡的冻结机理。

　　在零下十多度的环境中，把肥皂泡放在在冰表面，肥皂泡中的水就会逐渐冻结。在这个过程当中，会出现像雪花一样的冰晶。特定条件下冻结时，可以观察到内部有大量不断生长的冰晶在盘旋这些冰晶会散布在气泡表面并逐渐生长变大，直到整个气泡都被冻结。

　　Boreyko等在不同环境温度下，将肥皂泡置于冰冷的表面，并记录下了冻结过程。他们观察到了两种不同的冻结机制。第一种是将过冷的气泡放置在冰面上，由于气泡的初始状态是低于熔点的过冷状态，当气泡接触冰面时就会迅速产生小冰晶，并且在底部生成的小冰晶会自发的飘到气泡上部，随着冰晶不断生长和并合，肥皂泡完全冻结。第二种是将室温下的气泡放在冰面上，气泡从底部向上逐渐冻结，不形成“雪花”。

　　揭示这种神奇现象用到的主要仪器就是热成像仪。自然界中的一切物体，无论是北极冰川，还是火焰、人体，甚至极寒冷的宇宙深空，只要它们的温度高于绝对零度-273℃，都会有红外辐射，这是由于物体内部分子热运动的结果。红外成像技术就是根据探测到的物体的辐射能量的高低，经系统处理转变为目标物体的热图像，以灰度级或伪彩色显示出来，即得到被测目标的温度分布从而判断物体所处的状态。热成像仪是通过非接触探测红外能量(热量)，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测仪器。

　　Boreyko等通过热成像设备测量发现，第一种情况下，由于水结冰会发出热量，小冰晶附近的温度要高于气泡上部的温度。这种温度差异会引起表面张力的差异，产生温度梯度引起的马兰戈尼流动。马兰戈尼流动的方向是从高温流向低温，即从气泡下部到气泡上部。从热成像图像可以清楚地看到气泡上的温度梯度；在第二种情况下，气泡的初期温度是高于熔点的。在放到冰面上以后，再逐渐冷却结冰。这样会形成上部温度高，下部温度低的温度梯度，与第一种情况相反，自然也就不会有小冰晶飘到上部。此时气泡的结冰过程是由下往上逐渐冻结。冻结界面会缓慢向上扩展，最终在肥皂泡中间位置由于传导不良而停止。半冻结的肥皂泡先会保持均衡状态，直到最后液体圆顶坍塌。

两种结冰过程的热成像图像 

　　红外热成像仪得到的的温度梯度图谱对文章的结论提供了有力的支撑，你学到了吗？