香槟令人着迷的气泡背后的物理学

开塞声、倒酒声和香槟杯的碰撞声是世界许多地方庆祝的要素。香槟本身可以追溯到古罗马，但这种饮料的现代形式的最大进步来自 19 世纪来自法国东北部香槟地区的三位精明女性。

现在，科学家们正在研究为什么这些小小的欢快气泡会沿直线向上冒泡，从而为香槟的起泡历史增添新的篇章。

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在 5 月 3 日发表在《物理评论流体》杂志上的一项研究中，一个研究小组发现香槟和其他起泡酒中稳定的气泡链的形成是因为其中含有一种类似于肥皂化合物（称为表面活性剂）的成分。表面活性剂类分子有助于降低液体和气泡之间的张力，使气泡平稳上升到顶部。

在这项新研究中，一个团队对四种碳酸饮料进行了数值和物理实验，以研究气泡链的稳定性。根据饮料的不同，流体力学有很大的不同。例如，香槟和起泡酒中的气泡会像小蚂蚁一样排成一列，不断快速上升到玻璃杯顶部——而且它们会持续一段时间。在啤酒和苏打水中，气泡会偏向一侧，气泡链不太稳定。

为了观察气泡链，研究小组倒了几杯碳酸饮料，包括圣培露苏打水、特卡特啤酒、查尔斯·德卡扎诺夫香槟，以及一种名为 brut 的西班牙风格苏打葡萄酒。

然后，他们将液体倒入小矩形有机玻璃容器中，并泵入气体以形成不同类型的气泡链。他们逐渐添加表面活性剂或增加气泡尺寸。他们发现，即使没有表面活性剂，较大的气泡也可以变得稳定。当他们只添加表面活性剂而保持气泡尺寸不变时，气泡链可以从不稳定变为稳定。

作者发现，气泡的稳定性实际上受气泡本身大小的影响。含有大气泡的气泡链的尾流与含有污染物的气泡的尾流相似，这导致气泡上升平稳且气泡链稳定。

“理论上，香槟中这些充当表面活性剂的污染物是好东西，”合著者、布朗大学工程师罗伯托·泽尼特在一份声明中说。“这些蛋白质分子赋予了香槟酒风味和独特性，正是它们使产生的气泡链保持稳定。”

由于饮料中的气泡总是很小，表面活性剂是产生我们在香槟中看到的直链和稳定链的关键成分。虽然啤酒也含有表面活性剂类分子，但气泡可以以直链形式上升，也可以不以直链形式上升，这取决于啤酒的类型。苏打水等碳酸水中的气泡总是不稳定的，因为没有污染物帮助气泡在水流的尾流中平稳移动。

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“这种尾流、这种速度扰动导致气泡破裂，”泽尼特说。“气泡不是呈一条线状上升，而是呈锥形上升。”

这些发现有助于更好地理解流体力学的工作原理，特别是气泡流中团簇的形成，这具有经济和社会价值。2020 年，全球碳酸饮料市场价值高达 2216 亿美元。

更好地了解气泡如何聚集、气泡的起源以及如何预测气泡的出现，将极大地帮助利用气泡诱导混合的技术，例如水处理设施和酿酒厂的曝气池。了解这些流动也可能有助于更好地解释海洋渗漏现象，即甲烷和二氧化碳从海底冒出来。

“这是我多年来一直在进行的研究类型，”泽尼特说。“大多数人从未见过海洋渗漏或曝气池，但大多数人喝过苏打水、啤酒或香槟。通过谈论香槟和啤酒，我们的总体计划是让人们明白流体力学在日常生活中的重要性。”