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液晶「肥皂」泡的振盪現象

活躍星系核_96
・2012/11/30 ・1334字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

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_96
752 篇文章 ・ 106 位粉絲
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。 Email: contact@pansci.asia

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從 Game Boy 到大螢幕 ,童年電玩螢幕的黑科技你知道多少?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/13 ・3778字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 GIGABYTE 技嘉科技 委託,泛科學企劃執行。

小時候熬夜躲在棉被裡,拿著手電筒玩 GAME BOY 是許多人共同的回憶。任天堂在 1998 年推出的 GAMEBOY COLOR 打著新穎的掌上彩色螢幕,征服了全球無數大人小孩的心。跟今日的手機平板相比之下,可以隨身攜帶的彩色螢幕好像不算什麼,但在那時候可是貨真價實的稀有黑科技。

在液晶螢幕(LCD)還不普及的年代,電腦和電視的顯示器普遍使用陰極射線管(Cathode ray tube, CRT,或稱映像管)技術,也就是以往國小教室裡會出現的正方體電視。這種設計笨重且耗電,完全不適合用於隨身裝置。因此從二十世紀下半開始,科技公司紛紛投入液晶顯示器技術的尖端研究,但注意到了嗎?現在新的手機、平板、電玩液晶螢幕,越來越多採用 OLED 是什麼原因呢?就讓我們從液晶的起源娓娓道來。

液晶本身不會發光!

液晶最早在 19 世紀中葉被科學家發現,因同時具有「固態的晶體結構」與「液態的流動性」,因此稱為「液晶」,這些特性讓液晶可藉由微弱的電場改變晶體方向,達到讓特定光線進入的效果。

因此,液晶是不會發光的!我們現在所用的液晶螢幕,包含「液晶面板」與「背光模組」兩個部分,由背光模組提供的穩定光源打在控制光線進入的液晶面板上,才能顯示出絢麗的圖案。

同時具有「固態的晶體結構」與「液態的流動性」——液晶。圖/維基百科

Game boy 液晶螢幕大解密

最早的商用液晶螢幕,搭載的液晶面板為扭曲向列液晶(Twisted Nematic, TN),由於 TN 面板的黑白對比度不夠好,因此後來又推出了超級扭曲向列液晶(Super Twisted Nematic, STN)來改善這個問題。

STN 面板被廣泛使用在 80-90 年代,只需進行單色顯示的隨身電子產品上,舉凡 Game boy、計算機、電子錶、電子辭典、電子雞……等,都使用了 STN 面板,早期的電子雞就是這個原理,想想小時候,掌上型的遊戲也不能少了這一款,在學校有一隻電子雞真是走在潮流的尖端?!STN 面板雖然只有單色,但省電是它的一大賣點,因為單色的每個像素,只需要一個液晶單元,而彩色每個像素,需要有紅、綠、藍三個不同顏色的液晶單元,控制液晶面板的耗電量直接三倍起跳。

此外,上述的這些裝置皆沒有配備「背光面板」,而是採用外部光源反射在液晶面板,這樣做不只能減輕重量,也不需要供電給背光面板,讓續航力更上一層樓,更符合隨身電子產品的需求。

不過,也因為沒有背光面板,小時候就沒辦法躲在烏漆墨黑的被窩裡,偷打 Game boy 或養電子雞了。

咒術迴戰的電子雞。圖/Tamagotchi

在討論 Game Boy Color 之前,得先說說彩色液晶螢幕的原理。

彩色液晶螢幕的原理,就只是把液晶單元前面貼上紅、綠、藍的玻璃紙(當然不是用玻璃紙,只是比喻),讓液晶螢幕可以發出光的三原色,再用三個不同顏色的液晶單元,組合成一個像素就可以了。

彩色液晶螢幕的技術不難,只是幫液晶面板貼色紙而已,但重點還是前面提到的耗電問題(一個像素從一個液晶單元變三個)。

而當時拿來貼色紙的液晶面板,正好是可以用外部光源顯示的 STN 面板,這表示以 STN 面板為基礎的彩色螢幕,未必需要加裝背光面板才能顯示!

Game Boy Color 為了因應彩色帶來的耗電量激增,便採取外部光源反射顯示。不加裝背光面板雖然犧牲了對比度與飽和度,卻讓 Game Boy Color 有著輕便與高續航力的優勢,勝過採用背光面板、畫質較好的 Sega Game Gear,獲得當時玩家的青睞。

美版的 Game Gear 普通機型。圖/維基百科

突飛猛進的面板發展

隨著電池技術的進步,耗電量已不再是考量的重點。無論是行動裝置的液晶螢幕或一般的液晶螢幕,皆裝上了「背光面板」(終於可以在被窩裡玩手機)。此時,人們開始將注意力放在液晶螢幕的對比度、可視角度、色彩呈現與更新率(每秒更新的畫面數量)上了。

為了做出色彩更加鮮豔、更新率更高的螢幕,除了上述提到的 TN 面板外,後續也發展出了 VA 面板與 IPS 面板,而他們各自都有自己的優勢與劣勢。

TN 面板(扭曲向列型液晶)

最早發展的 TN 面板,其面板內的液晶分子在未通電時,會呈現如 DNA 的螺旋狀,這時光線可以穿透。當通電時,液晶分子會排成垂直螢幕的方向,這時光線就無法穿透。

TN 面板有較好的更新率,且因技術成熟,目前市面上的 TN 面板螢幕,價格相對較低,但 TN 面板的缺點也非常明顯,可視角度狹窄,稍微側面看螢幕就會嚴重失真,色彩與對比度的表現也較差。

VA 面板(垂直排列液晶)

VA 面板是繼 TN 面板後問世的液晶面板,其工作機制與 TN 面板正好相反,在未通電時,面板內的液晶分子會呈垂直排列,無法讓光通過;通電時中間部分的液晶分子會轉為水平,讓光線通過。

VA 面板改善了過往 TN 面板在色彩與對比度上的不足,清晰的對比度讓畫面更銳利,可視角也變得更寬廣,不過更新率較低,一般的 VA 面板應付日常上網或看電影還算可以,但對於有高更新率需求的第一人稱射擊遊戲或電競,VA 面板就顯得沒那麼適合。

IPS 面板(橫向電場效應顯示技術)

IPS 面板是相對後期發展的液晶面板,在未通電時所有液晶分子會像梯子一樣水平排列,這時光線無法穿透,而通電後液晶分子會變成類似 VA 面板的 DNA 螺旋狀,此時光線可以穿透。

IPS 面板最大特點,正是液晶分子的旋轉方向,始終都在同一個平面上,這樣的設計使得可視角度大幅提升,且顏色更加飽滿,反應速度雖然比 VA 面板好,但還是比不上 TN 面板。

新世代的 OLED 螢幕

不同面板的液晶螢幕各有各的優缺點,可以依據自己需求選擇適合的螢幕,那有沒有哪一種螢幕,可以網羅所有優點呢?

答案是有的,這就是最晚才開始發展的新世代螢幕——OLED(有機發光二極體)螢幕!

OLED 螢幕利用夾在玻璃基板之間的有機分子自行發光,因此不需要背後的發光面板,比起過往的液晶螢幕更加省電,也能做得更輕薄。此外,自行發光也代表不會有液晶螢幕的可視角度的問題,並有著趨近於無窮的黑白對比度,色彩飽和度上也表現得可圈可點。

在更新率上,OLED 螢幕是透過控制輸入電壓來更新畫面,可以一步到位,而液晶螢幕則是透過電場控制液晶分子方向後,才能更新畫面,因此 OLED 螢幕,理論上的更新率是優於一般液晶螢幕的。

新世代 OLED 螢幕囊括諸多優點,給你最佳的娛樂體驗。圖/GIGABYTE 技嘉科技

過往 OLED 螢幕因價格昂貴,很少出現在我們的生活中,但隨著技術成熟,OLED 螢幕的價格已不再是問題,新一代的手機與平板電腦,或其他行動裝置,也紛紛開始採用 OLED 螢幕,像是今年即將推出的新版 Nintendo Switch,也準備將原本搭配的 IPS 液晶螢幕,換成 OLED 螢幕。


OLED 擁有卓越的色彩和反應時間,用來打遊戲再適合不過。

技嘉 AORUS FO48U 專業電競螢幕採用 OLED 面板,融合電競與影音的雙重享受,120 Hz 的更新頻率搭配 4K 高畫質,帶來最清晰流暢的視覺體驗。搭載 2.1 聲道音響系統及 Space Audio 技術享受環繞音場效果,不論是在電競遊戲、電影、音樂都能感受影音的雙重饗宴。

除了最尖端的顯示器技術,技嘉也仍舊以玩家為本,加入了包括遊戲助手 Game Assist 和瞄準穩定器等 8 種獨家功能,提供令人耳目一新的電競體驗。

GIGABYTE AORUS FO48U 4K HDR電競螢幕:https://www.gigabyte.com/tw/Monitor/AORUS-FO48U#kf

即日起到 2021/9/30,登錄就送 AORUS 充氣沙發

參考資料:

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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好奇心讓你登上《科學》封面!泡泡為什麼會破,把它放顛倒再戳破就知道了
linjunJR_96
・2020/09/21 ・1895字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
圖/OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

在火山口的岩漿中、在玻璃工廠的熔爐中,也在居家裝潢的油漆桶中。液體表面的泡泡隨處可見,如果以上都沒見過(編按:到底有多少人會親眼看過火山岩漿啦!)那總該玩過吹泡泡遊戲吧,那你有想過為什麼泡泡會破掉嗎?

泡泡會塌陷過去以為是重力,最新研究發現是表面張力

過去科學家認為,泡泡會塌陷主要因素是「重力」,但最新一期《科學》(Science)期刊上有篇研究指出,我們多年來對這些現象的解釋其實並不正確,其實「表面張力」才是主要原因。

當水面的泡泡破裂,泡泡薄膜的形狀還來不及有任何改變,便已經被兇猛的表面張力拉回水面下,整個過程只需幾毫秒。不過濃稠(黏滯係數高)的泡泡可不一樣,光是破裂可以花費整整 1 秒鐘,過程中還出現奇特的皺褶。

黏性泡泡破裂過程。圖/OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

上方動畫中濃稠泡泡是用矽油吹製,其黏滯係數是水的一百萬倍。當泡泡上方被刺破,整顆泡泡像是洩了氣一樣向下塌陷,而破洞的大小卻幾乎維持不變。這項觀察讓過去的物理學家認為,主宰塌陷過程的是向下的地球重力。

把泡泡倒過來,發現塌陷速度沒有比正著放還慢

不過這個結論讓波士頓大學的工程學家詹姆士柏德(James Bird)十分不滿意。為什麼重力只對黏稠的液體才算重要呢?然而用理論打嘴砲誰都會,要在實驗上做出結果來才算數。為此,他設計出了絕妙的驗證方法:把重力倒過來。

矽油的黏稠度夠高,讓實驗團隊能夠把整個容器倒過來,並進行同樣的戳泡泡實驗。如果泡泡塌陷真的是因為被重力向下拉,那麼將重力方向倒過來應該會讓泡泡塌陷的較慢。

可是錄影結果和原本泡泡破裂的過程十分相似:頂端的破洞慢慢打開,泡泡快速向液體表面塌陷。接著,實驗團隊還讓裝置轉了90度,讓重力向泡泡的側邊拉。不論重力指向哪個方向,影像分析的結果都沒有顯著的差異,這表示主宰塌陷過程的並非重力。

A. T. Oratis et al., Science 369, 685 (2020)

原版的重力向下實驗在 20 幾年前就有人做過。「那時候會認為重力是主因其實也情有可原,因為泡泡薄膜被戳破時看起來就像是在下落。」論文的共同作者亞歷山卓奧拉蒂斯(Alexandros Oratis)說道。不過進一步的計算顯示,對一顆直徑 1 公分的泡泡來說,作用在薄膜上的表面張力比重力大了幾十倍,而他們的實驗也證實了這個結果。

泡泡塌陷的皺褶怎麼來的?其實是諸多力量較勁結果

表面張力顧名思義,就是隨時想要讓液體表面繃緊;也就是說,讓液體表面盡量保持在平整的狀態。當泡泡在液體表面形成,表面張力想要將凸起的泡泡薄膜向下拉,這時泡泡內外的氣壓差便負責平衡這股向下的力。如果我們戳破泡泡,造成內外的氣壓相同,泡泡薄膜便向下塌陷。

不過如果表面張力這麼強大,那麼泡泡塌陷的後期為什麼會出現這些皺褶呢?

當壓縮力夠大,凌駕想把液面拉平的表面張力,就會出現表面皺褶。圖/A. T. Oratis et al., Science 369, 685 (2020)

比起完好的半球狀泡泡,破掉的扁塌泡泡表面積較小。當表面張力快速的將破掉的薄膜往下拉,接近周圍的薄膜受到強烈的壓縮力。如果壓縮力夠大,凌駕了想要把液面拉平的表面張力,便會出現表面的皺褶。小小的泡泡能展現出這麼美麗的物理現象,原來是背後諸多力量相互較勁的綜合結果。

OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

這份研究用「顛覆性」的實驗方法,打破了舊有的認知,登上了《科學》期刊的封面。再度顯示科學家最重要的維生工具不是紙筆或試管,而是源源不絕的好奇心與想像力。

參考資料

  • 責任編輯:YP
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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泡泡堆的物理
科學人_96
・2013/09/18 ・1282字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

文/麥森(John Matson)
譯/洪艾彊

sci-am-bubblemath泡泡堆的變化,裡面盡是科學。

大多數的人都曾駐足欣賞過肥皂泡的美麗。這顆隨著視角幻變五彩色澤、卻又容易破滅的小球,頂多撐個幾分鐘,就會在瞬間消失無蹤。不管是愛吹肥皂泡的小孩,還是享受躺在浴缸裡沉思的大人,都是它的粉絲。

幾百年來的物理學家和數學家也不例外,他們做過不少努力來試圖了解並預測泡泡的基本性質。成團的泡泡在數學上更加吸引人,原因是它們之間不只存在簡單的幾何規則(例如相鄰的泡泡表面夾角只允許若干特別的角度),並且為了使泡泡表面的總面積達到最小,不同的泡泡會不斷移動和改變大小來配合彼此,表現得有如一台合作無間的簡易電腦。

最近提出來描述泡泡堆特性的電腦模型,將有助於科學家善用泡泡的物理性質,來發展更有效的滅火器、腳踏車頭盔和其他相關產品。

這個由美國加州大學柏克萊分校兩位數學家設計的模型,把泡泡堆的變化分解成三個不同階段:首先,泡泡表面的表面張力和空氣流動會促使泡泡堆重新排列,以尋找穩定的巨觀結構;接著重力效應不斷把肥皂液往下拉,使得這些泡泡的液體薄膜(lamellae)厚度越來越小;最後當部份泡泡破裂時,整體結構變得不再穩定,泡泡堆又重新回到第一階段,如此不斷往復。這篇論文發表在5月10日的《科學》

這三個階段有各自不同的空間和時間尺度。作者之一的數學教授賽西恩(James Sethian)表示:「例如泡泡液體薄膜在微觀上變薄的速度就非常慢,有時可達數百秒;而泡泡破裂的速度則高達每秒數百公尺。」電腦模擬泡泡堆的動態變化時,有一項需要克服的主要技術:如何在忽略那些會拖慢模擬速度的枝節時,還能同時正確捕捉到重要的微觀過程。

賽西恩和合作者賽耶(Robert Saye)提出的解決辦法是,針對不同的階段採取不同的手段。在牽涉到泡泡破裂和液體薄膜厚度變薄的第三階段,他們放慢模擬速度,並且小心微觀細節;反之,在緩慢的大尺度結構變動時,則睜一眼閉一眼地加快速度。愛爾蘭都柏林三一學院的物理學家維埃爾(Denis Weaire)說:「只要把不同階段的銜接過程處理好,各個階段是可以分開來模擬的。」每一個階段的模擬結果可以利用程式,逐次輸入到下個階段,在第三階段的結果,再送回原始階段重新模擬──巨觀的泡泡堆結構變動決定了微觀的泡泡表面液體如何流失,後者再導致泡泡液體薄膜的瞬間破裂,並因此使泡泡堆失去平衡,再度變動起來。維埃爾表示,把這些過程分開模擬,「能得到以前的人想像不到的妙處。」

維埃爾提醒我們,相較於靜態的泡泡堆,例如啤酒上頭好像「久久不散」的啤酒泡,過去已經累積不少文獻。他和合作者在10多年前就出版過《泡泡堆的物理》(The Physics of Foams)一書,並敦促同事致力於探討泡泡堆的動態變化,不過維埃爾表示,這一方面的研究還是大致停滯不前。雖然目前提出來的新模型還有些受限,例如只適用於乾泡泡堆,也就是液體含量不高的情形,但他樂觀相信這是「朝正確方向邁進的第一步」。

 

SA原文:Physics Gets Frothy as Mathematicians Dissect Mister Bubbl [May 9,2013]

研究文獻:Saye, R. I., & Sethian, J. A. (2013). Multiscale Modeling of Membrane Rearrangement, Drainage, and Rupture in Evolving Foams. Science, 340(6133), 720-724.

刊載於《科學人》2013年第138期08月號

科學人_96
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《科學人》雜誌-遠流出版公司於2002年3月發行Scientific American中文版,除了翻譯原有文章更致力於本土科學發展與關懷。