“雪花玻璃球效应”物理机制解密

英国杂志《自然通讯》19日发表的一篇物理论文揭示了肥皂泡是如何冻结成美丽的冰晶球的。这个先前未公开的物理机制告诉人们“雪球效应”是如何产生的。

当肥皂泡在特定条件下冻结时，可以观察到大量的冰晶连续生长在里面盘旋，这使人想起雪花玻璃球——也就是说，一些装饰品和“雪花”装饰品固定在中空玻璃球或底部玻璃罩中。然而，在此之前，还没有人研究过这种现象背后的物理机制以及肥皂泡是如何冻结的。

这次，弗吉尼亚理工大学的研究员乔纳森·普利科和他的同事们研究了控制肥皂泡冻结的传热过程。他们将肥皂泡放在不同环境温度下的冷表面上，并记录冷冻过程。他们观察到两种不同的冷冻机制，取决于温度。

当环境温度与肥皂泡的温度相同时，冻结从肥皂泡的底部开始，并产生“马拉加尼流”(液体从表面张力低的地方流到表面张力高的地方)，导致冰晶脱离冻结界面并围绕肥皂泡旋转，就像雪花在雪花玻璃球中一样。后来，随着冰晶继续生长和融合，肥皂泡完全冻结。然而，当环境温度为室温时，由于传导不良，冻结的界面将缓慢向上膨胀，并最终在肥皂泡中间停止。这个半冰冻的肥皂泡将保持平衡，直到液体圆顶最终坍塌。

研究人员指出，这一发现有助于物理学家更好地理解传热现象。