開啟一瓶香檳，給自己倒一杯。啜飲一口。優雅的表面泡沫——沸騰的、升騰和破裂的氣泡噴氣孔——將數千個金色液滴發射到空中，將葡萄酒誘人的風味和香氣傳遞到舌頭和鼻孔。伴隨著美味一口的是一陣打擊樂般的微小爆裂聲，將清爽的碳酸寒意和舒適的酒精溫暖並置。這就是氣泡酒的魅力，法國東北部香檳區的經典氣泡酒，這種飲品已成為世界各地節日慶典的固定節目。優質香檳的標誌之一是多條氣泡鏈，像許多微型熱氣球一樣從倒入的玻璃杯側面升起成線。當它們到達表面時，氣泡會在注滿的長笛杯頂部形成一個環，即所謂的領圈。儘管沒有科學證據表明香檳的質量與其氣泡的細膩程度相關，但人們仍然經常將兩者聯絡起來。由於確保香檳傳統的起泡個性是一項大生意，因此對於氣泡酒釀酒商來說，實現完美的小氣泡變得非常重要。十多年前，來自蘭斯香檳-阿登大學和酩悅香檳的多位研究同事和我決定研究碳酸飲料中氣泡的行為。我們的目標是闡明在起泡過程中起作用的眾多引數中的每一個的作用。對裝滿氣泡酒、啤酒和蘇打水的玻璃杯的仔細觀察顯示，它們視覺上吸引人的排氣過程出乎意料地複雜。自那以後，我們對氣泡生命週期的三個主要階段有了很多瞭解：它的誕生、上升和戲劇性的消亡。
氣泡的產生
在香檳、氣泡酒和啤酒中，二氧化碳 (CO2) 是產生氣泡的主要物質，氣泡在酵母發酵糖類時形成，將其轉化為酒精和二氧化碳分子。工業碳酸化是蘇打飲料中氣泡的來源。裝瓶或裝罐後，溶解在液體中的二氧化碳與軟木塞、瓶蓋或拉環正下方空間中的氣體達到平衡。
當容器開啟時，液體上方氣態二氧化碳的壓力突然下降，打破了這種平衡。結果，液體變得二氧化碳過飽和。為了重新獲得與大氣中 CO2 的熱力學平衡，二氧化碳必須離開流體。當飲料倒入玻璃杯中時，兩種機制使溶解的二氧化碳逸出：透過液體自由表面的擴散和氣泡的形成。
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然而，在氣體分子可以聚結成胚胎氣泡之前，它們必須穿過液體，液體的分子透過範德華力（偶極吸引力）緊密結合在一起。氣泡的形成受到這種能量勢壘的限制；碳酸飲料中發生的過飽和度不足以單獨克服它。
在弱過飽和液體中，包括香檳、氣泡酒、啤酒和蘇打水，氣泡因此僅在預先存在的氣腔足夠大以克服成核能壘時才形成。腔體必須很大，因為氣體/液體介面的曲率會導致氣袋內部產生過壓，該過壓與氣袋的半徑成反比。氣泡越小，其內部的超壓越大。CO2 根本無法擴散到小於臨界尺寸的氣泡中。在新開瓶的香檳中，臨界半徑是微觀的——大約 200 奈米。
為了詳細觀察“氣泡苗圃”，我們將配備顯微鏡物鏡的高速攝像機對準了數百條氣泡鏈的底部。與普遍看法相反，這些成核位點並非位於玻璃表面的不規則處，這些不規則處遠小於氣泡形成所需的臨界曲率半徑。事實證明，氣泡苗圃出現在附著在玻璃壁上的雜質上。大多數是空心纖維素纖維，它們從空氣中掉落或在擦乾玻璃杯時留下。這些纖維顆粒的幾何形狀阻止了它們被飲料完全潤溼。因此，當玻璃杯裝滿時，它們能夠捕獲氣袋。
當溶解的二氧化碳分子遷移到這些微小的氣袋之一時，就會形成氣泡。最終，它會增長到宏觀尺寸，但最初它仍然透過毛細管力紮根於其成核位點。最後，氣泡不斷增加的浮力導致其脫離，並且可以在其位置形成新的氣泡。這個過程不斷重複，直到剩餘的溶解 CO2 太少而無法產生氣泡。
我的同事和我使用頻閃觀測器來測量每個成核位點每秒產生的氣泡數量。當閃光頻率等於氣泡產生頻率時，氣泡鏈看起來是凍結的。
由於氣泡的生長還取決於溶解的二氧化碳含量濃度，因此氣泡的形成頻率因碳酸飲料而異。例如，在香檳中，最活躍的成核位點每秒釋放多達約 30 個氣泡。啤酒的氣體含量約為香檳的三分之一，啤酒氣泡苗圃產生氣泡的速度僅為香檳的三分之一左右。
氣泡上升
氣泡從苗圃釋放後，會在上升到表面時生長。二氧化碳分子在氣泡漂浮時不斷地從液體中擴散到氣泡中。隨著氣泡膨脹，它們變得更具浮力，因此它們向上加速並彼此分離。
啤酒和氣泡酒中的氣泡不僅僅是氣袋，因為這些飲料不是純液體。除了水、酒精和溶解的二氧化碳外，這些飲料還含有蛋白質、糖蛋白和其他可以像洗滌劑一樣發揮作用的有機化合物，也稱為表面活性劑。
表面活性劑化合物結合了水溶性和水不溶性部分。表面活性劑從溶液中析出幷包圍氣泡，將其疏水端指向氣體，並將其親水端粘在液體中。
表面活性劑塗層改變了氣泡脫離後如何在液體中開路的方式。與更靈活、不含表面活性劑的球體相比，盾狀塗層使氣泡變硬，這使得它遇到來自液體的更大阻力。此外，在上升過程中遇到的表面活性劑分子逐漸聚集在氣泡表面，使其更加堅硬。因此，固定半徑的上升氣泡所經歷的流體動力阻力逐漸增加；當氣體/液體介面幾乎完全被表面活性劑汙染時，氣泡減速至最小速度。
然而，對於隨著上升而膨脹的氣泡來說，情況並非一定如此。生長中的氣泡增加了表面積，這為吸附表面活性劑提供了更多空間。因此，膨脹氣泡會受到相反效應的影響。如果膨脹速率超過表面活性劑使表面變硬的速度，則氣泡會不斷“清潔”其介面，因為被表面活性劑覆蓋的表面積與不含表面活性劑的表面積的比率會降低。如果這個比率反而增加，則氣泡表面不可避免地會被表面活性劑單層汙染並變得堅硬。
我的同事和我測量了香檳和啤酒氣泡在其上升到表面過程中的阻力系數，然後將我們的資料與在氣泡動力學科學文獻中發現的值進行了比較。我們得出的結論是，啤酒氣泡的行為非常像剛性球體。相比之下，香檳、氣泡酒和蘇打水中的氣泡在其上升過程中呈現出更靈活的介面。這並不令人過於驚訝，因為啤酒比香檳（僅幾毫克/升）含有高得多的表面活性劑大分子（數量級為每升幾百毫克）。此外，由於啤酒含有的氣體較少，啤酒氣泡的生長速度比香檳氣泡慢。因此，啤酒氣泡膨脹引起的清潔效果可能太弱，無法避免其氣體/液體介面的剛化。在香檳、氣泡酒和蘇打水中，氣泡生長迅速，並且表面活性劑的濃度太低，無法使其變硬。
氣泡破裂
在誕生和釋放後的幾秒鐘內，氣泡會移動幾釐米到達飲料表面，最終膨脹到直徑約一毫米。就像冰山一樣，飲料頂部的氣泡僅略微從表面浮出；其大部分體積仍然在下方。突出的部分，即氣泡帽，是一個半球形液膜，隨著液體沿側面向下流動而逐漸變薄。當帽變薄到臨界厚度時，它對振動和熱梯度變得敏感，這最終導致它破裂。1959 年，劍橋大學的傑弗裡·英格拉姆·泰勒和加州理工學院的弗雷德·E·C·庫利克兩位物理學家分別證明，表面張力會導致氣泡帽上出現一個孔，並且該孔會非常迅速地擴大。對於直徑為一毫米的氣泡，崩解僅需 10 到 100 微秒。
氣泡帽破裂後，會發生複雜的流體動力學過程，導致氣泡的淹沒部分坍塌。瞬間，液體表面會留下一個開放的空腔。然後，空腔的內衝側面相遇並向上方的自由表面噴射高速液體射流。由於其高速度，該射流變得不穩定，形成毛細波（瑞利-普拉託不穩定性），將其分裂成稱為射流滴的液滴。慣性和表面張力的共同作用使分離的射流滴呈現出各種通常令人驚訝的形狀。最後，它們呈現出準球形。由於每秒有數百個氣泡破裂，飲料表面佈滿了瞬態錐形結構，這些結構過於短暫而無法用肉眼看到。
香氣和風味釋放
除了美學考慮之外，在自由表面破裂的氣泡還賦予香檳、氣泡酒、啤酒和許多其他飲料商家所說的“口感”。射流滴以每秒幾米的速度發射到表面上方几釐米處，在那裡它們與人體感覺器官接觸。因此，鼻子中的傷害感受器（疼痛感受器）在品嚐過程中受到刺激，嘴巴中的觸覺感受器在氣泡在舌頭上破裂時受到刺激；這種破裂還會產生略帶酸性的水溶液。
除了機械刺激外，在表面坍塌的氣泡被認為在釋放風味和香氣方面起著重要作用。碳酸飲料中的脂肪酸和其他芳香化合物充當表面活性劑，因此它們會附著在上升的氣泡上，然後分子會聚集在飲料表面。無數氣泡破裂產生的氣霧噴霧由微小液滴雲組成。我的研究小組使用超高解析度質譜儀分析了氣霧劑，我們表明它們含有高濃度的已知是芳香的化合物或香氣的前體。這一發現支援了這樣一種觀點，即上升和破裂的氣泡就像自動扶梯一樣，不斷地將美味的香氣從玻璃杯中提升到鼻子和味蕾。
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