新研究表明受污染的气泡破裂产生的气溶胶远小于预期

这些不仅是轻松周末的要素，也是我们环境中气溶胶的来源。尽管这些气溶胶来源中的一些并不是一个大问题，但源自工业来源(例如废水处理厂)甚至自然来源(例如海浪和灰尘)的气溶胶有能力对环境产生更大的影响环境甚至公共卫生。

气溶胶是悬浮在空气中的液滴或细小固体颗粒的悬浮液。尽管气溶胶以多种方式产生，但最重要的来源之一是液体和空气之间界面处的气泡破裂。尽管受污染的界面更为普遍，但之前的大多数研究都集中在“干净”的气泡上。

伊利诺伊大学香槟分校机械科学与工程系助理教授冯杰和研究生杨正宇的最新研究表明，被薄油层覆盖的破裂气泡产生的液滴尺寸更小，液滴总数更多，并以一定的速度喷射与在清水中产生的气泡相比，速度更高。这项名为“涂油气泡破裂时增强的奇异射流形成”的研究最近发表在《自然物理学》上。

气溶胶在我们的环境中无处不在，它们可以是自然的，也可以是人为的。气泡破裂气溶胶在跨液体界面的质量传递中起着关键作用。例如，海浪气溶胶主要是由海洋表面的气泡破裂产生的。气泡破裂产生的液滴会影响空气污染、全球气候甚至传染病的传播。这些液滴的一个重要参数是它们的大小，因为它表示停留时间和在大气中的传输——小液滴更容易被风吹起，并且可以传播得更远。

冯说：“我们到处都有被污染的水。当气泡从较深的水中上升到表面时，它会收集污染物并在其周围形成有机层。我们称其为受污染的气泡。当它到达表面并破裂时，它实际上可以将这些污染物雾化成小液滴。”

Feng 和 Yang 研究了一层薄薄的油对气泡破裂的影响，作为受污染气泡的模型系统。毫米大小的裸露气泡在水表面破裂会产生典型尺寸约为 100 微米 (µm) 的液滴(典型的人类头发约为 100-200 µm)。在这项工作中，他们发现当破裂的气泡被一层薄薄的油覆盖时，液滴可以小到几微米。此外，裸气泡破裂产生的液滴的典型喷射速度为每秒 1 米 (m/s)，而涂油气泡破裂产生的液滴喷射速度高达 10 m/s。冯总结说：“我们工作的主要结论是，我们发现，对于这些受污染的气泡，它们可以非常有效地将污染物雾化成微米大小的液滴。”

在像废水处理厂这样的工业环境中，较小的污染液滴会对在工厂工作的人员构成重大风险。这些环境中的气泡破裂可能会产生酸性雾和生物气溶胶。了解受污染气泡对尺寸分布和喷射速度的影响对于设计有效的个人防护设备和实施有关此类设施附近空气和水质的附加指南至关重要。

在更广泛的范围内，气溶胶对天气、气候甚至人类健康都有影响。

“这些飞沫可以传播病原体、细菌和病毒，”杨说。“当你有这些小气溶胶时，它们可以被喷射得更高，小尺寸和更高的喷射速度可以帮助它们在大气中停留更长时间。” 了解气溶胶的大小和成分对于改进全球建模工作很重要。此外，这些受污染的液滴可能会造成更大的污染物传播和感染风险，因为较小的气溶胶比较大的气溶胶能够更深入地渗透到呼吸道中。

这项工作的其他贡献者包括 Bingqiang Ji(共同作者，博士后，MechSE，UIUC)和 Jesse T. Ault(布朗大学工程学院助理教授)。