近日，我系王笑非研究员课题组与法国艾克斯-马赛大学Emmanuel Villermaux教授团队合作在物理评论快报(Physical Review Letters)上发表了题为“Abyss Aerosols: Drop Production from Underwater Bubble Collisions”的论文。该论文首次揭示了气泡在水下碰撞产生大量亚微米级液滴的新机理。这一发现为水气界面物质交互提供了全新的视角，并为准确预测海洋飞沫气溶胶的产生通量及其环境效应提供了理论基础。

       水面气泡破裂可以释放出大量的微小液滴，这一基础的物理过程在众多环境和工业应用中至关重要。例如，海水气泡破裂产生的海洋飞沫液滴，是海洋大气中主要的云凝结核来源，对环境、人类健康和气候有着重大影响。这些液滴可以富集、携带大量水生环境中的有机污染物和病原体生物，在水气界面的质量和动量转移过程中扮演重要角色。在过去的一个世纪里，广泛的研究已深入探讨了该基础物理过程的多个机理，包括气泡帽破裂时液体韧带的离心破碎、气泡帽膜的扑动以及空腔崩塌后的沃辛顿射流解体等。但这些的研究始终局限在了水表面的气泡破裂过程，忽视了水下气泡的行为。

       本研究首次揭示了一个重要现象：气泡在到达水面前，水下碰撞可以在气泡内部产生大量亚微米级的水滴，这些细小的气溶胶随气泡破裂释放至空气中。研究团队从亚微米液滴产生入手，发现当产生气泡的气流速率增加至一定阈值时，每个气泡产生的亚微米液滴数量会突增一到两个数量级（图1）。这一现象无法用传统的表面气泡破裂机制解释，表明气泡的水下行为具有重要影响。通过高速摄影机，研究团队观察到气泡在产生过程中发生的碰撞现象。通过仅控制水下气泡碰撞这一变量的对照实验，充分肯定了气泡碰撞对液滴产生的贡献（图2）。研究团队结合实验与理论，确定并验证了碰撞液滴的主要来源是水下两气泡之间相互挤压形成的薄膜破裂。高速摄影机拍摄和液滴粒径分布的验证确定了是Squire不稳定性主导了薄液膜的急速抖动拍打，并最终裂解成微小液滴悬浮停留在了气泡内部（图3），随气泡破裂传输进入大气。

       结果表明，气溶胶的产生不仅仅局限于水面，水下气泡碰撞对亚微米液滴形成的贡献比以前认识到的要大得多。这一发现从根本上改变了我们对飞沫气溶胶产生的理解，为水-空气界面的物质转移开辟了新的视角，促使我们重新思考飞沫气溶胶的产生机制在所有相关环境和工业过程中影响，尤其是水下气泡碰撞的作用。

       本研究第一单位为复旦大学环境科学与工程系，合作单位还包括法国艾克斯-马赛大学、法国高等研究院、上海市污染控制与生态安全研究所、复旦大学张江研究所。

       论文的第一作者是环境系在读博士生江兴华。研究合作者包括法国艾克斯-马赛大学Emmanuel Villermaux教授和Lucas Rotily博士。本研究受到国家自然科学基金项目，上海市自然科学基金，国家重点研发计划项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.024001

图1. 液滴产生量的骤增及气泡碰撞的发现。(a)产生气泡的气流速率与亚微米液滴产生速率、气泡曲率半径的关系; (b,c) 阈值前后水下气泡碰撞现象的照片。

图2. 评估气泡碰撞对液滴产生的影响。(a) 气泡碰撞对照实验的装置示意图；(b,c) 实验中气泡碰撞与不碰撞的示意图与照片；(d) 液滴产生量的差异；(e) 液滴粒径分布的差异；(f) 表面破裂气泡的尺寸分布。

图3. 气泡碰撞时的薄膜破裂与液滴产生。(a) 气泡碰撞凝并的示意图；(b) 气泡碰撞模拟实验示意图；(c) 碰撞挤压时膜排水的参数示意图；(d) 空气中水膜破裂的照片；(e) SF₆中水膜破裂的照片；(f) 气泡碰撞时膜破裂前后的照片。

供稿：王笑非

编辑：李博海

审核：张立武