Nature Communications：肥皂泡是如何结冰的？

相信许多人都在网上看过 肥皂泡结冰 的视频， （ https://www.bilibili.com/video/av14814215 ） 在零下十多度的环境中，把肥皂泡放在在冰表面，肥皂泡中的水就会逐渐冻结。在这个过程当中，会出现像雪花一样的冰晶，这些冰晶会散布在气泡表面并逐渐生长变大，直到整个气泡都被冻结。

那么为什么会出现这种现象呢？其背后有蕴含着什么样的科学原理呢？

最近，一篇发表在 Nature Communications 上的文章(Nat. Comm. 2019，10:2531.)就解释了 肥皂泡结冰的物理机制 ，以及在何种条件下才能出现这种“雪花球”现象。

研究人员分析了两种情况下气泡的冻结行为。第一种是是将过冷的气泡放置在冰面上，第二种是将室温下的气泡放在冰面上。只有第一种情况形成“雪花球”现象（下图a所示）。而第二种情况气泡是从底部向上逐渐冻结，不形成“雪花”（下图b所示）。

在第一种情况下，气泡的初始状态是低于熔点的过冷状态。当气泡接触冰面时就会迅速产生小冰晶。并且在底部生成的小冰晶会自发的飘到气泡上部，随后遍布整个气泡表面。然后小冰晶会逐渐长大，直到覆盖整个气泡。为什么底部的小冰晶会自发的飘到气泡上部，是需要解释的重点。通过热成像相机测量这个过程的温度，我们可以发现，由于水结冰会发出热量，小冰晶附近的温度要高于气泡上部的温度。这种温度差异会引起表面张力的差异，产生温度梯度引起的马兰戈尼流动。马兰戈尼流动的方向是从高温流向低温，即从气泡下部到气泡上部。从下图的热成像照片，我们能清楚地看到气泡上下的这种温度梯度。

而在第二种情况下，气泡的初期温度是高于熔点的。在放到冰面上以后，再逐渐冷却结冰。这样会形成下部温度高，上部温度低的温度梯度，与第一种情况相反，自然也就不会有小冰晶飘到上部。此时气泡的结冰过程是由下往上逐渐冻结的，如下图b所示。

除了使用红外热成像测量实验中的温度（上图g）。文章中还使用了COMSOL模拟了气泡冻结的这个过程，通过模拟得到了气泡的温度分布（上图f）。文章作者将实验观察数据与理论分析，仿真模拟相结合，从多个方面深入的阐述的气泡结冰过程中的两种模式。在COMSOL中物质的传热和相变以及相变引起的相变潜热都可以方便的经行建模，得到的结果对文章的结论提供了有力的支撑。