只要有水，水面就會有氣泡漂浮。從站立的水坑、湖泊和溪流到游泳池、熱水浴缸、公共噴泉和廁所，無論室內(nèi)還是室外，泡泡無處不在。
麻省理工學(xué)院的一項新研究表明，被細菌污染的氣泡如何被用作微小的微生物手雷，使水中的微生物(包括潛在的病原體)爆裂并釋放到空氣中。
在發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜志上的這項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，細菌會影響泡沫的持久性：漂浮在水面上的細菌覆蓋的泡沫可以比未污染的泡沫長10倍以上，持續(xù)幾分鐘而不是幾秒鐘，在此期間，被污染的泡沫的蓋子會變薄。當(dāng)氣泡不可避免地破裂時，氣泡越薄，釋放到空氣中的液滴就越多。研究人員估計，一個液滴可以攜帶數(shù)千個微生物，每個氣泡可以釋放數(shù)百個液滴。
土木與環(huán)境工程助理教授、疾病傳播實驗室流體力學(xué)主任莉迪亞布魯伊巴(Lydia Bourouiba)說：“我們發(fā)現(xiàn)，細菌可以通過一種可以增強自身水-空氣擴散的方式來操縱界面。
論文的合著者是研究生夏羽普萊恩。
水里的東西
在過去的幾年里，Bourouiba一直在精心制作、成像和表征干凈和未污染的氣泡，目標(biāo)是建立正常氣泡行為的基線。
Bourouiba說：“在添加細菌和其他生物之前，我們必須首先了解清洗氣泡的物理特性，看看它們對系統(tǒng)有什么影響。
事實上，研究人員最初發(fā)現(xiàn)細菌的影響是偶然的。這個團隊正在搬到一個新的實驗室空間。在洗牌過程中，一個裝有水的燒杯被打開。當(dāng)研究人員在隨后的實驗中使用它時，結(jié)果并不符合研究小組的預(yù)期。
“與典型的干凈氣泡相比，這種水產(chǎn)生的氣泡壽命更長，并且具有特殊的稀薄變化，”普萊恩說。
Bourrouilh懷疑水被污染了，研究小組很快證實了她的假設(shè)。他們分析了水，發(fā)現(xiàn)了房間里自然存在細菌的證據(jù)。
果汁效應(yīng)
為了直接研究細菌對氣泡的影響，研究小組進行了一項實驗，他們在柱子里裝滿了水和各種細菌種類(包括大腸桿菌)。研究人員開發(fā)了一種系統(tǒng)，通過氣泵在色譜柱內(nèi)產(chǎn)生氣泡，一次一個，以控制每個氣泡的體積和大小。當(dāng)氣泡上升到表面時，該團隊使用高速成像和一系列光學(xué)技術(shù)來捕捉表面的行為并破裂。
研究人員觀察到，一旦被大腸桿菌污染的氣泡進入水面，它們自己的表面或瓶蓋就會立即開始變薄，主要是通過排水和回流，就像融化的巧克力殼一樣。這種行為類似于未受污染的氣泡。
然而，污染氣泡在表面的殘留時間比未污染氣泡長10倍以上。過了一個關(guān)鍵期，充滿細菌的氣泡開始變薄得更快。Bourouiba懷疑可能不是細菌本身，而是它們分泌的細菌，可以使泡沫保持更長時間。
Bourouiba說：“細菌是活的，就像生物一樣，它們會造成廢物，廢物通常會與泡沫的界面相互作用?！八晕覀儼焉飳W(xué)和‘果汁’分開了?！?
研究人員從他們的分泌物中去除細菌，然后用細菌的分泌物重復(fù)實驗。正如Bourrouilh所懷疑的，只含有分泌物的氣泡比清潔氣泡持續(xù)的時間長得多。該小組得出結(jié)論，分泌物一定是延長泡沫壽命的關(guān)鍵因素。但那又怎么樣呢？
同樣，Bourouiba也有一個假設(shè)：細菌分泌物可能起到降低氣泡表面張力的作用，使其更有彈性，更能抵抗擾動，最后，它們在水面上的壽命更長。她指出，這種行為類似于表面活性化合物或表面活性劑，例如用于制造肥皂泡的洗滌劑中的化合物。
為了驗證這個想法，研究人員重復(fù)了這些實驗。這一次，通過替換合成表面活性劑的常見細菌，發(fā)現(xiàn)它們也會產(chǎn)生持久的氣泡，一段時間后氣泡也會急劇變細。實驗證明，細菌的分泌物起到表面活性劑的作用，延長了污染氣泡的壽命。
然后，研究人員尋找污染氣泡稀釋率劇烈變化的解釋。在干凈的氣泡中，蓋子變薄主要是排水的結(jié)果，因為蓋子中的大部分水隨著上升的泡沫被排回到液體中。這種氣泡持續(xù)幾秒鐘左右，當(dāng)氣泡變薄時，其排水速度不斷減慢。
但是，如果泡沫持續(xù)超過臨界時間，蒸發(fā)開始發(fā)揮比排水更重要的作用，基本上切斷了泡沫帽上的水分子。研究人員得出的結(jié)論是，如果氣泡中含有細菌、細菌及其分泌物，氣泡會在水面上形成很長時間——時間長到足以使蒸發(fā)變得比排水更重要。
隨著泡沫帽變薄，當(dāng)它不可避免地破裂時，噴出的液滴變得更小、更快、更多。研究團隊發(fā)現(xiàn)，含有細菌的氣泡可以產(chǎn)生10倍以上的液滴，比清洗氣泡產(chǎn)生的氣泡小10倍，噴射速度快10倍。這相當(dāng)于數(shù)百個液滴，大小只有幾十微米，以每秒10米的速度發(fā)射。
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