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液晶「肥皂」泡的振盪現象

文 / 梁欣伶 (德國美因茨大學有機化學研究所博士生)

高速攝影鏡頭下,人們能捕捉稍縱即逝的瞬間、在日常的現象裡分辨許多更細微的動態行為。吹泡泡是孩子們喜歡的遊戲,脆弱的泡泡在慢速影片裡卻像具有韌性的彈簧。孩子們會從浸過泡泡水的圓框先吹出一個拉長的半弧面泡泡(圖1),這個半弧面泡泡最終會脫離圓框、形狀從拉長的棒狀模樣經過一陣抖動轉變成近完美的球形泡泡。


圖1. 吹泡泡的過程

肥皂泡其實是一層水在空氣中被肥皂分子保護著(泡泡水裡肥皂分子約只占3~7%),比起喜歡空氣,水分子更喜歡與自己的同伴靠在一起,所以在空氣中水會盡量讓自己形成球面,因為球面能讓最少的水分子與空氣接觸*達到穩定的最低能量狀態—此即所謂界面張力因素。從拉長的棒狀到球形的轉變過程中,那一陣的振盪過程即是泡泡在進行能量釋放。

最近有一則研究比較近晶相(smectic)液晶泡泡與普通的肥皂泡形成時的動態行為,自由浮動的泡泡由慢速拉開的圓柱狀薄膜(圖2k)從中央斷裂後得到的衛星泡泡(satellite bubbles),整個過程由高速攝影機(約50000 fps)拍攝,最後進行影像分析;其中微米級的泡泡在普通實驗室完成,而釐米級泡泡在重力下容易在實驗完成前墜落,因此是在拋物線飛行上的失重過程中完成。

圖2. a-e) 近晶相液晶泡泡自釋放後的形狀改變過程

f-i)普通肥皂泡泡的振盪過程 k) 泡泡的製造過程

(途中數字代表泡泡自釋放後經過的時間 ,單位微秒)

研究結果顯示在微米級體積下,普通泡泡在釋放後即開始進行振盪,而近晶相泡泡需要一段較長時間縮小表面積(過阻尼現象)至最後近似球形時才進行微小震幅的振盪。在泡泡表面積縮小的過程中,泡泡厚度也會相對增厚,相較於肥皂泡泡中的水與肥皂分子可以自由游動改變泡泡厚度,近晶相液晶因具有如樹輪蛋糕般的層狀排列(圖3),液晶分子需「被迫地」進行重新排列以維持液晶相層列形式。在液晶分子想要縮小表面積,又不想要重新排列的矛盾中,抑制了泡泡的振盪。


圖3. 近晶相A(左),近晶相C(右)

在連續過程中,液晶分子傾向進行區域性的分子層(近晶層)增厚,而非整體性的層數調整,因此在釐米級泡泡中可以明顯看到許多不同層數的「近晶島」(smectic islands, 圖4)。此研究使用近晶相C (smectic C)的液晶材料,在此液晶相中分子在層列中呈現某個角度的傾斜,在最終微小震幅的振盪 中這種性質使分子不需重新排列,而僅需微幅調整傾斜角度便可微幅改變分子層厚度。


圖4. 「近晶島」的顯微鏡圖(泡泡直徑0.57 cm)與示意圖

液晶其實不只是關於顯示器,許多物質在特定的情況下都會呈現液晶相—即分子展現有序的排列 (由濃度或溫度的改變而誘發)—例如常見的肥皂泡泡中肥皂分子整齊排列於水層的表面。

有趣的是,「smectic」這個字源於希臘文的「肥皂」(smēktikos, 來自“清潔”smēchein), 而事實上在濃稠的肥皂液底部的確可以發現層狀的液晶結構,所以這篇真是名符其實的「肥皂泡」研究!

資料來源:

  • 原文論文: Dynamics of freely floating smectic bubbles, K. May et al. EPL, 100 (2012) 16003; DOI:10.1209/0295-5075/100/16003
  • 原文影片
  • 圖2與圖4圖片來自原始論文, 圖3來自wikipedia

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。