简述泡沫物理学史.doc

简述泡沫物理学史 摘 要 看似平常的泡沫，却具有奇异的特性，比如几乎完全由空气组成的泡沫，既能像固体一样发生弹性形变，又能像流体一样发生流动，这正是泡沫物理学的研究内容.泡沫物理学是一门古老的学科，气泡和泡沫结构静力学的描述早在19世纪中下叶已经完美，之后没有大的发展，一直到19世纪90年代前后，流体力学，微观显像技术和计算技术等学科的发展，以及材料科学和工业生产的需求，泡沫物理的研究再次有了生气. 关键词液态泡沫，泡沫物理学， 软物质 1泡沫的内在规则结构 　　液态泡沫是大量气泡在微量表面活性剂溶液中密集堆积形成的、高度自组织的非平衡系统.平时我们用洗洁精刷洗盘子时，或者从微小开口喷嘴向洗洁精溶液中吹入气体，都能形成泡沫. 泡沫表面杂乱无章，内部却具有规则的结构.柏拉图（Joseph A.F. Plateau，1801—1883，比利时物理学家）确定了泡沫结构平衡法则［1］.首先，4个气泡形成一组相互作用的基本单元(气泡大小为10μm—1cm)，相交于一个交汇点(vertex, junction 或node)；每3个气泡围成一个凹三角形柏拉图通道(plateau border)，则4个气泡共形成4个柏拉图通道，其曲率半径为rPb(大小为~1μm — 1mm)，它是由液体体积分数、表面张力以及界面力协调决定的.柏拉图通道长度LPb约为气泡大小的1/3，柏拉图通道要比交汇点薄一些.每两个气泡间形成一个液膜(film)，4个气泡共形成6个液膜.液膜厚度一般为10—1μm，是气泡间的最小分离距离.液膜间以及柏拉图通道间的夹角分别为arc cos(-1/2)=120°和arc cos(-1/3)≈ 109. 47°. 泡沫中的液体分布在液膜、柏拉图通道和交汇点上，当液体体积分数≈36%时，气泡为圆球状，气泡间的接触缩为一个点，此时液膜消失，仅剩柏拉图通道和交汇点，泡沫的力学特性发生突变，在泡沫物理学的研究中极其重要，因此≈36%称为临界液体体积分数(wet limit).当＞36%时，泡沫系统演变为鼓泡流(bubbly liquid)或者气液两相流(gas/liquid flow)，不再属于泡沫物理的研究范畴. 早期的泡沫和液膜研究，散见于一些数学家的研究工作中，他们提出了一些重要的思想， 并没有做更深入和全面的分析，更没有从物理角度研究这些结构的形成原因.比如，公元四世纪，古希腊几何学家Pappus of Alexandria在《On the sagacity of bees》一文中提到蜜蜂具有理解几何对称的灵性，天生就知道如何用最少量的蜂蜡构建正六边形的蜂巢，紧接着他提出了一系列的思考：蜜蜂如何把平面等分割成等边长单元的呢？对平面而言，为什么只有等三角、等四边、等六边形能周期性的排布成平面，而其他等边形则不行？蜜蜂为什么选择面积恒定时周长最小的正六边形？达尔文(Charles Darwin)曾于1859年创立了著名的进化论，第一次把生物放在科学的基础上.他称赞蜂巢，这是自然界的杰作，在节省材料和劳力方面是完美的. 17世纪蓬勃发展的近代科学，强劲地推动了人类对空间结构的不懈探索，比如开普勒猜想（1611）、柏拉图猜想(约1873)、开尔文猜想（约1887）和庞家莱猜想(1904)等著名数学难题，吸引了几代物理学家和数学家共同努力，呕心沥血，力争得到完美解答.其中柏拉图猜想以及受柏拉图工作的启发而提出的开尔文猜想都涉及液膜和泡沫结构问题.1873年柏拉图［2］出版了两卷本书：《Statique Expérimentale et Théorique des Liquides soumis aux Seules Forces Moléculaires》，标志着泡沫物理学中的静力学和结构描述已经接近完美.这本书的英文名字为：《Experimental and Theoretical Statics of Liquids: Subject to Molecular Forces Only》. 在此后的近100年间，由于两次世界大战和内战爆发，整个科学研究都受到不同程度的冲击，泡沫物理学也不例外；1950年以后，泡沫物理学的研究虽然恢复生机，但基本上还是延续泡沫或液膜结构的研究，比如物理学家和数学家对开尔文猜想和柏拉图猜想等开展的研究，仅限于局部完善和修补. 2 泡沫静力学和结构法则 　　柏拉图曾于1832年发明了诡盘（phenakistiscope），制作成动画装置.28岁时，为了研究视觉暂留效应，直接用肉眼观测太阳，确定闭上眼睛后太阳影像在大脑中的保留时间，结果他只看了十几秒，眼睛就部分失明了.1841年，在他40岁的时候眼睛完全失明，在后来漫长的“黑暗”岁月里，他坚持对肥皂泡薄膜和气泡的几何形态进行研究.他