近日，我系王笑非研究員課題組與法國艾克斯-馬賽大學Emmanuel Villermaux教授團隊合作在物理評論快報(Physical Review Letters)上發表了題為“Abyss Aerosols: Drop Production from Underwater Bubble Collisions”的論文。該論文首次揭示了氣泡在水下碰撞產生大量亞微米級液滴的新機理👋🏻。這一發現為水氣界面物質交互提供了全新的視角，並為準確預測海洋飛沫氣溶膠的產生通量及其環境效應提供了理論基礎🧑🏽‍🏫。

       水面氣泡破裂可以釋放出大量的微小液滴🤺，這一基礎的物理過程在眾多環境和工業應用中至關重要。例如，海水氣泡破裂產生的海洋飛沫液滴，是海洋大氣中主要的雲凝結核來源，對環境、人類健康和氣候有著重大影響。這些液滴可以富集、攜帶大量水生環境中的有機汙染物和病原體生物🚙，在水氣界面的質量和動量轉移過程中扮演重要角色🐾💢。在過去的一個世紀裏，廣泛的研究已深入探討了該基礎物理過程的多個機理🪀，包括氣泡帽破裂時液體韌帶的離心破碎、氣泡帽膜的撲動以及空腔崩塌後的沃辛頓射流解體等。但這些的研究始終局限在了水表面的氣泡破裂過程，忽視了水下氣泡的行為。

       本研究首次揭示了一個重要現象：氣泡在到達水面前，水下碰撞可以在氣泡內部產生大量亞微米級的水滴🤘🏽，這些細小的氣溶膠隨氣泡破裂釋放至空氣中。研究團隊從亞微米液滴產生入手🥒，發現當產生氣泡的氣流速率增加至一定閾值時，每個氣泡產生的亞微米液滴數量會突增一到兩個數量級（圖1）💭。這一現象無法用傳統的表面氣泡破裂機製解釋🌋，表明氣泡的水下行為具有重要影響。通過高速攝影機🎷，研究團隊觀察到氣泡在產生過程中發生的碰撞現象🤴🏻。通過僅控製水下氣泡碰撞這一變量的對照實驗👩🏼‍⚖️，充分肯定了氣泡碰撞對液滴產生的貢獻（圖2）。研究團隊結合實驗與理論🦥，確定並驗證了碰撞液滴的主要來源是水下兩氣泡之間相互擠壓形成的薄膜破裂🪜。高速攝影機拍攝和液滴粒徑分布的驗證確定了是Squire不穩定性主導了薄液膜的急速抖動拍打，並最終裂解成微小液滴懸浮停留在了氣泡內部（圖3），隨氣泡破裂傳輸進入大氣。

       結果表明🚴🏽‍♀️🎇，氣溶膠的產生不僅僅局限於水面，水下氣泡碰撞對亞微米液滴形成的貢獻比以前認識到的要大得多👩‍🦼🚶🏻‍♂️。這一發現從根本上改變了我們對飛沫氣溶膠產生的理解，為水-空氣界面的物質轉移開辟了新的視角，促使我們重新思考飛沫氣溶膠的產生機製在所有相關環境和工業過程中影響，尤其是水下氣泡碰撞的作用。

       本研究第一單位為沐鸣2开户💆🏼，合作單位還包括法國艾克斯-馬賽大學🙍‍♀️、法國高等研究院🐒、上海市汙染控製與生態安全研究所、沐鸣2平台張江研究所🕓👶。

       論文的第一作者是環境系在讀博士生江興華。研究合作者包括法國艾克斯-馬賽大學Emmanuel Villermaux教授和Lucas Rotily博士🐅。本研究受到國家自然科學基金項目，上海市自然科學基金，國家重點研發計劃項目的資助🤵🏽‍♀️。

論文鏈接👨🏿‍🎓：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.024001

圖1. 液滴產生量的驟增及氣泡碰撞的發現。(a)產生氣泡的氣流速率與亞微米液滴產生速率、氣泡曲率半徑的關系; (b,c) 閾值前後水下氣泡碰撞現象的照片。

圖2. 評估氣泡碰撞對液滴產生的影響🚆。(a) 氣泡碰撞對照實驗的裝置示意圖🙋‍♀️；(b,c) 實驗中氣泡碰撞與不碰撞的示意圖與照片；(d) 液滴產生量的差異☀️；(e) 液滴粒徑分布的差異；(f) 表面破裂氣泡的尺寸分布🚠。

圖3. 氣泡碰撞時的薄膜破裂與液滴產生。(a) 氣泡碰撞凝並的示意圖；(b) 氣泡碰撞模擬實驗示意圖🙆🏽🧶；(c) 碰撞擠壓時膜排水的參數示意圖；(d) 空氣中水膜破裂的照片；(e) SF₆中水膜破裂的照片；(f) 氣泡碰撞時膜破裂前後的照片。

供稿：王笑非

編輯：李博海

審核：張立武