關於泡泡的迷人科學：從肥皂到香檳

在這場異想天開又有現場展示的演說中，科學家譚麗薇（Li Wei Tan）分享了泡泡的秘密——從它們不斷追求幾何完美，到它們在醫學及運輸上的應用（設計透過模仿企鵝游泳時所創造出來的泡泡，打造出更有效能的船隻）。來進一步了解這些數學奇蹟，探究日常生活世界中所隱藏的魔法。

幾年前，我造訪了巴黎，

在一個美好的夏天午後，
我沿著塞納河散步。

我在河岸上看到
巨大的泡泡在飄浮，

就像這種。

隔天早上，它破掉了，消失了。

兩位街頭藝人在製造這些泡泡，
旁邊圍著一群觀眾。

很明顯，他們靠大家賞錢來過活，

他們也販售一組兩根棍子，
綁著兩條繩子。

我在那裡的時候，
有一名男子用十歐元買了一組，

這讓我很吃驚。

我是個對泡泡充滿熱忱的科學家。

我知道若要製造出
巨大的泡泡，密訣在於

要把肥皂水的混合做對——

不在於棍子，的確需要棍子，

但你很容易就可以在家自製出來。

把焦點放在棍子上，
讓我們無法發現，

真正的工具是泡泡本身。

泡泡似乎是給小朋友玩的，

但有時，泡泡也可以很驚人。

然而，泡泡背後
還有更多迷人的科學，

比如，解決問題的工具。

所以，我想要和各位分享

幾個故事，都是關於
製造泡泡的科學，

以及消除微小泡泡的科學。

既然已經展示在螢幕上了，
咱們就從肥皂泡泡開始吧。

它是用非常常見的物質製成的：

空氣、水、肥皂，
再把它們做正確的混合。

你們可以看見，肥皂泡泡
常常會改變顏色。

原因是因為和不同
方向的光進行交互作用，

以及厚度的改變。

其中一項常見物質，水分子，

是用兩個氫原子

和一個氧原子形成的—— H2O。

通常水滴的大部分表面向內彎曲，

形成半球形。

這是因為水滴的表面
就像是一張彈性床單一樣。

表面的水分子經常會被

中心的分子向內拉。

而彈性的品質就是
我們所謂的「表面張力」。

加上肥皂，

肥皂的分子就會減低
水的表面張力，

讓它更有彈性，更容易形成泡泡。

可以把泡泡想像成是
數學的問題解決者。

你會看到它持續不斷嘗試
要達成幾何上的完美。

比如，若體積不變，

表面積最小的形狀就是球形。

那就是為什麼單一的泡泡
總是球形的。

讓我示範給各位看。

這是單一的泡泡。

當兩個泡泡碰在一起時，

它們可以共用一座牆，
來節省材料。

當越來越多泡泡結合在一起，

它們的幾何學會改變。

這四個泡泡被結合在一起。

在中間，它們有一個交會點。

當六個泡泡結合在一起時，

中間會出現一個魔法般的立方體。

（掌聲）

這就是表面張力在發揮作用，

嘗試找到最有效的幾何安排方式。

讓我再舉一個例子。

這是個非常簡易的道具。

它的構造是兩層塑膠，

上面有四個釘栓將它們連結起來。

想像這四個釘栓是四個城市，

它們之間的距離相同，

我們想要建造道路
來連結這四個城市。

我的問題是：連結這四個城市，
最短的路徑是什麼？

咱們把它浸入肥皂水中，
來找出答案。

切記，肥皂泡泡的形式
永遠都會嘗試去

將它們的表面面積給最小化，

用最完美的幾何安排
來做到這一點。

所以，解決方案可能
不是你所預期的。

連結這四個城市最短的路徑長度

是 2.73 乘以兩個城市之間的距離。

（掌聲）

現在你們有概念了。

肥皂泡泡的形式，

永遠都會嘗試將
它們的表面面積最小化，

用最完美的幾何安排
來做到這一點。

現在，讓我們用
另一個視角來看泡泡。

我的女兒柔伊很喜歡去動物園。

她最愛的地方是南英格蘭
瑪爾維動物園裡的企鵝小灣，

在那裡，她能看見企鵝
在水中快速游泳。

有一天，她注意到企鵝在游泳時，

身體後面會留下泡泡痕跡，

她問，為什麼。

像企鵝這種動物和鳥類，

很多時間待在水中，

牠們已經演化出一種巧妙的方式，

可以利用泡泡的能力，

來減少水的密度。

一般認為，皇帝企鵝可以潛入

海面下幾百公尺深。

在下潛之前，他們會把空氣儲存在

牠們的羽毛下，

再漸漸以泡泡雲的
形式將空氣釋出。

這樣做會減少牠們身邊的水密度，

就更容易游過去，

且能將游速增加至少四成。

船製造商已經注意到這項特徵。

我指的是大船，

用來運送數千個貨櫃渡海的大船。

近期，它們開發了一個系統，
叫做「空氣潤滑系統」，

靈感就來自企鵝。

這個系統會產生很多的空氣泡泡，

將它們重新分配到整艘船各處，

就像一張空氣地毯，

當船在移動時能減少水的阻力．

這項特點能讓船的能源消耗

減少達到 15%。

泡泡也能用在醫學上。

它在醫學中也有能扮演的角色，

比如，它能做為一種

非侵入性的藥物和基因傳遞系統，

遞送到身體的特定部位。

想像一個微小的泡泡，

裡面滿是藥物和磁劑的混合物，

被注射到我們的血液當中。

泡泡會前往目標區域。

但它們怎麼知道要去哪裡？

因為我們在那裡放了磁鐵。

比如，我手的這個部分。

當微小的泡泡移動到
我手的這個部分，

我們能用超音波將它弄破，

將藥物在需要用藥的
正確位置釋出。

我之前有提到創造泡泡的科學。

但有時候，我們也需要除去泡泡。

我的工作有一部分就是在做這件事。

我的職稱是「墨水配方科學家」。

但我處理的墨水不是
寫字筆中用的墨水。

我要處理一些很酷的應用，

比如有機光電,
（organic photovoltaics, OPVs）

以及有機發光二極體（OLED）。

我的工作有一部分是要找出

如何及為什麼要將泡泡

從我的公司所製造的墨水中除去。

在配方混合的過程中，

或是準備的過程中，

我們會混合活性藥物成分、

溶劑，和添加物，

確保產生出來的配方能夠讓墨水

在被使用時具有我們想要的特性。

但就像你在做飲料
或烘焙蛋糕一樣，

無可避免，總會有一些
空氣泡泡被困在墨水當中。

在這裡，我們談的泡泡和我在巴黎

看到的泡泡是不同的大小。

困在墨水當中的泡泡

尺寸大約是從幾毫米

到幾微米不等，甚至會到幾奈米。

我們擔心的

是泡泡裡面的氧氣和濕氣。

要除去尺寸這麼小的
泡泡並不容易。

但它很重要。

比如，就有機發光
二極體墨水來說，

其中一個應用的例子

就是智慧手機的顯示。

它應該可以用很多年，

但如果氧氣和濕氣沒有被除去，

就會吸收我們用的墨水，

我們很快就會在像素中看到黑點。

在除去微小泡泡時，

我們遇到的其中一個難題

就是它們不太樂意合作。

它們喜歡坐在那裡，

在墨水中沐浴，不太移動。

但我們要如何把它們踢出去？

我們用的一項技術

就是強迫讓墨水通過

一根細長的小管子，

管壁上有孔，

我們把管子放在真空室當中，

將泡泡從墨水中擠出來，

將它們除去。

一旦我們能夠把泡泡從
我們所製造的墨水中除去，

就該大肆慶祝了。

咱們來開一瓶氣泡香檳吧。

喔，這一定會很好玩！

（笑聲）

嗚呼！

（掌聲）

你們可以看到，
有很多泡泡從香檳瓶中湧出。

這些泡泡充滿了二氧化碳，

二氧化碳是在葡萄酒
發酵過程中產生的氣體。

讓我倒一些出來。

我不能錯失這個機會。

我想應該夠了。

（笑聲）

我可以看到這裡
有許多微小的泡泡，

從玻璃杯的底部向上移動
到香檳的最上方。

在它爆裂之前，

它會噴出小滴的香氣分子，

強化香檳的香味，

讓我們更享受香檳的味道。

身為對泡泡充滿熱情的科學家，

我很愛看泡泡，

我很愛玩泡泡，

我很愛研究泡泡。

此外，我也很愛喝泡泡。

謝謝。

（掌聲）