打开一瓶香槟，给自己倒一杯。啜饮一口。优雅的表面泡沫——沸腾的、升腾和破裂的气泡喷气孔——将数千个金色液滴发射到空中，将葡萄酒诱人的风味和香气传递到舌头和鼻孔。伴随着美味一口的是一阵打击乐般的微小爆裂声，将清爽的碳酸寒意和舒适的酒精温暖并置。这就是气泡酒的魅力，法国东北部香槟区的经典气泡酒，这种饮品已成为世界各地节日庆典的固定节目。优质香槟的标志之一是多条气泡链，像许多微型热气球一样从倒入的玻璃杯侧面升起成线。当它们到达表面时，气泡会在注满的长笛杯顶部形成一个环，即所谓的领圈。尽管没有科学证据表明香槟的质量与其气泡的细腻程度相关，但人们仍然经常将两者联系起来。由于确保香槟传统的起泡个性是一项大生意，因此对于气泡酒酿酒商来说，实现完美的小气泡变得非常重要。十多年前，来自兰斯香槟-阿登大学和酩悦香槟的多位研究同事和我决定研究碳酸饮料中气泡的行为。我们的目标是阐明在起泡过程中起作用的众多参数中的每一个的作用。对装满气泡酒、啤酒和苏打水的玻璃杯的仔细观察显示，它们视觉上吸引人的排气过程出乎意料地复杂。自那以后，我们对气泡生命周期的三个主要阶段有了很多了解：它的诞生、上升和戏剧性的消亡。
气泡的产生
在香槟、气泡酒和啤酒中，二氧化碳 (CO2) 是产生气泡的主要物质，气泡在酵母发酵糖类时形成，将其转化为酒精和二氧化碳分子。工业碳酸化是苏打饮料中气泡的来源。装瓶或装罐后，溶解在液体中的二氧化碳与软木塞、瓶盖或拉环正下方空间中的气体达到平衡。
当容器打开时，液体上方气态二氧化碳的压力突然下降，打破了这种平衡。结果，液体变得二氧化碳过饱和。为了重新获得与大气中 CO2 的热力学平衡，二氧化碳必须离开流体。当饮料倒入玻璃杯中时，两种机制使溶解的二氧化碳逸出：通过液体自由表面的扩散和气泡的形成。
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然而，在气体分子可以聚结成胚胎气泡之前，它们必须穿过液体，液体的分子通过范德华力（偶极吸引力）紧密结合在一起。气泡的形成受到这种能量势垒的限制；碳酸饮料中发生的过饱和度不足以单独克服它。
在弱过饱和液体中，包括香槟、气泡酒、啤酒和苏打水，气泡因此仅在预先存在的气腔足够大以克服成核能垒时才形成。腔体必须很大，因为气体/液体界面的曲率会导致气袋内部产生过压，该过压与气袋的半径成反比。气泡越小，其内部的超压越大。CO2 根本无法扩散到小于临界尺寸的气泡中。在新开瓶的香槟中，临界半径是微观的——大约 200 纳米。
为了详细观察“气泡苗圃”，我们将配备显微镜物镜的高速摄像机对准了数百条气泡链的底部。与普遍看法相反，这些成核位点并非位于玻璃表面的不规则处，这些不规则处远小于气泡形成所需的临界曲率半径。事实证明，气泡苗圃出现在附着在玻璃壁上的杂质上。大多数是空心纤维素纤维，它们从空气中掉落或在擦干玻璃杯时留下。这些纤维颗粒的几何形状阻止了它们被饮料完全润湿。因此，当玻璃杯装满时，它们能够捕获气袋。
当溶解的二氧化碳分子迁移到这些微小的气袋之一时，就会形成气泡。最终，它会增长到宏观尺寸，但最初它仍然通过毛细管力扎根于其成核位点。最后，气泡不断增加的浮力导致其脱离，并且可以在其位置形成新的气泡。这个过程不断重复，直到剩余的溶解 CO2 太少而无法产生气泡。
我的同事和我使用频闪观测器来测量每个成核位点每秒产生的气泡数量。当闪光频率等于气泡产生频率时，气泡链看起来是冻结的。
由于气泡的生长还取决于溶解的二氧化碳含量浓度，因此气泡的形成频率因碳酸饮料而异。例如，在香槟中，最活跃的成核位点每秒释放多达约 30 个气泡。啤酒的气体含量约为香槟的三分之一，啤酒气泡苗圃产生气泡的速度仅为香槟的三分之一左右。
气泡上升
气泡从苗圃释放后，会在上升到表面时生长。二氧化碳分子在气泡漂浮时不断地从液体中扩散到气泡中。随着气泡膨胀，它们变得更具浮力，因此它们向上加速并彼此分离。
啤酒和气泡酒中的气泡不仅仅是气袋，因为这些饮料不是纯液体。除了水、酒精和溶解的二氧化碳外，这些饮料还含有蛋白质、糖蛋白和其他可以像洗涤剂一样发挥作用的有机化合物，也称为表面活性剂。
表面活性剂化合物结合了水溶性和水不溶性部分。表面活性剂从溶液中析出并包围气泡，将其疏水端指向气体，并将其亲水端粘在液体中。
表面活性剂涂层改变了气泡脱离后如何在液体中开路的方式。与更灵活、不含表面活性剂的球体相比，盾状涂层使气泡变硬，这使得它遇到来自液体的更大阻力。此外，在上升过程中遇到的表面活性剂分子逐渐聚集在气泡表面，使其更加坚硬。因此，固定半径的上升气泡所经历的流体动力阻力逐渐增加；当气体/液体界面几乎完全被表面活性剂污染时，气泡减速至最小速度。
然而，对于随着上升而膨胀的气泡来说，情况并非一定如此。生长中的气泡增加了表面积，这为吸附表面活性剂提供了更多空间。因此，膨胀气泡会受到相反效应的影响。如果膨胀速率超过表面活性剂使表面变硬的速度，则气泡会不断“清洁”其界面，因为被表面活性剂覆盖的表面积与不含表面活性剂的表面积的比率会降低。如果这个比率反而增加，则气泡表面不可避免地会被表面活性剂单层污染并变得坚硬。
我的同事和我测量了香槟和啤酒气泡在其上升到表面过程中的阻力系数，然后将我们的数据与在气泡动力学科学文献中发现的值进行了比较。我们得出的结论是，啤酒气泡的行为非常像刚性球体。相比之下，香槟、气泡酒和苏打水中的气泡在其上升过程中呈现出更灵活的界面。这并不令人过于惊讶，因为啤酒比香槟（仅几毫克/升）含有高得多的表面活性剂大分子（数量级为每升几百毫克）。此外，由于啤酒含有的气体较少，啤酒气泡的生长速度比香槟气泡慢。因此，啤酒气泡膨胀引起的清洁效果可能太弱，无法避免其气体/液体界面的刚化。在香槟、气泡酒和苏打水中，气泡生长迅速，并且表面活性剂的浓度太低，无法使其变硬。
气泡破裂
在诞生和释放后的几秒钟内，气泡会移动几厘米到达饮料表面，最终膨胀到直径约一毫米。就像冰山一样，饮料顶部的气泡仅略微从表面浮出；其大部分体积仍然在下方。突出的部分，即气泡帽，是一个半球形液膜，随着液体沿侧面向下流动而逐渐变薄。当帽变薄到临界厚度时，它对振动和热梯度变得敏感，这最终导致它破裂。1959 年，剑桥大学的杰弗里·英格拉姆·泰勒和加州理工学院的弗雷德·E·C·库利克两位物理学家分别证明，表面张力会导致气泡帽上出现一个孔，并且该孔会非常迅速地扩大。对于直径为一毫米的气泡，崩解仅需 10 到 100 微秒。
气泡帽破裂后，会发生复杂的流体动力学过程，导致气泡的淹没部分坍塌。瞬间，液体表面会留下一个开放的空腔。然后，空腔的内冲侧面相遇并向上方的自由表面喷射高速液体射流。由于其高速度，该射流变得不稳定，形成毛细波（瑞利-普拉托不稳定性），将其分裂成称为射流滴的液滴。惯性和表面张力的共同作用使分离的射流滴呈现出各种通常令人惊讶的形状。最后，它们呈现出准球形。由于每秒有数百个气泡破裂，饮料表面布满了瞬态锥形结构，这些结构过于短暂而无法用肉眼看到。
香气和风味释放
除了美学考虑之外，在自由表面破裂的气泡还赋予香槟、气泡酒、啤酒和许多其他饮料商家所说的“口感”。射流滴以每秒几米的速度发射到表面上方几厘米处，在那里它们与人体感觉器官接触。因此，鼻子中的伤害感受器（疼痛感受器）在品尝过程中受到刺激，嘴巴中的触觉感受器在气泡在舌头上破裂时受到刺激；这种破裂还会产生略带酸性的水溶液。
除了机械刺激外，在表面坍塌的气泡被认为在释放风味和香气方面起着重要作用。碳酸饮料中的脂肪酸和其他芳香化合物充当表面活性剂，因此它们会附着在上升的气泡上，然后分子会聚集在饮料表面。无数气泡破裂产生的气雾喷雾由微小液滴云组成。我的研究小组使用超高分辨率质谱仪分析了气雾剂，我们表明它们含有高浓度的已知是芳香的化合物或香气的前体。这一发现支持了这样一种观点，即上升和破裂的气泡就像自动扶梯一样，不断地将美味的香气从玻璃杯中提升到鼻子和味蕾。
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