Chemia stojąca za tym, jak tworzysz rekordową gigantyczną bańkę mydlaną

Bubb;e Pexels

20 lipca 2015 r. Gary Pearlman i mała grupa entuzjastów zebrali się w parku w Cleveland w stanie Ohio, aby pobić rekord świata. Cel: stworzenie największej w historii swobodnie pływającej bańki mydlanej.

Sprzęt Pearlmana składał się z pary wędek z zawiązanymi między nimi sznurkami. Zanurzył sznurek w specjalnej mieszance wody, mydła i dodatków polimerowych i uniósł go w powietrze. To podniosło rozwiązanie, tworząc cienką warstwę mydlanego filmu. Kiedy Pearlman machał prętami, ruch powietrza rozciągał i rozszerzał mydlaną warstwę, tworząc gigantyczną bańkę.

W tym samym czasie niezależni obserwatorzy sfotografowali bańkę pod różnymi kątami, aby móc obliczyć jej objętość. Okazało się, że ma 96,27 metrów sześciennych (3399,74 stóp sześciennych) — największy, jaki kiedykolwiek zmierzono. Tego dnia Pearlman słusznie zajął swoje miejsce w Księdze Rekordów Guinnessa

W panteonie osiągnięć naukowych tworzenie gigantycznych baniek mydlanych jest niestety niedoceniane. A jednak stanowi zestaw zagadek, które zafascynowały Stephena Fraziera i kolegów z Emory University w Atlancie.

Wskazują, że bańka składa się z kruchej folii o grubości zaledwie kilku mikrometrów, a mimo to rekordowy gigant Pearlmana musiał mieć powierzchnię ponad 100 metrów kwadratowych. Pojedynczy otwór może spowodować pęknięcie bańki. Jak powstają tak duże filmy i jak pozostają stabilne? zapytaj Fraziera i spółki.

Dziś zespół udziela kilku odpowiedzi. Ci faceci zbadali właściwości folii mydlanych i to, jak zmieniają się one po dodaniu różnego rodzaju polimerów. Wyniki zapewniają unikalny wgląd w naukę o tworzeniu się bąbelków i warunki atmosferyczne najbardziej sprzyjające próbom bicia rekordu świata.

Najpierw trochę tła. Entuzjaści bąbelków od dawna dyskutują o najlepszych miksturach dla swojej sztuki. Dla zainteresowanych tworzeniem gigantycznych bąbelków, Bańka mydlana Wiki zawiera bogactwo informacji empirycznych i przepisów na optymalne rozwiązania bąbelków, powiedzmy Frazier i spółka.

Konsensus jest taki, że najlepsze mieszanki do bąbelków zawierają wodę, detergent w postaci płynu do mycia naczyń (ulubionym wydaje się Dawn Pro) oraz mieszankę polimerów, molekuł przypominających długie łańcuchy, które zwiększają lepkość płynu. Preferowanymi polimerami są tlenek polietylenu (zwany również glikolem polietylenowym), często stosowany w kremach do skóry, oraz guma guar, powszechny zagęszczacz spożywczy pozyskiwany z ziaren guar.

Polimery są ważne. Soap Bubble Wiki twierdzi, że bez nich zrobienie gigantycznych baniek jest prawie niemożliwe. Ale dokładnie to, co robią, jest słabo rozumiane. Dokładna rola, jaką odgrywają polimery, jest trochę zagadką, mówi wiki.

Wchodzi Frazier i spółka, którzy badają niektóre właściwości, jakie polimery nadają mieszaninom bąbelków. Mówią, że identyfikujemy niektóre z podstawowych mechanizmów fizycznych, które powodują powstawanie gigantycznych baniek.

Ich metoda jest prosta. Tworzą szereg mieszanek wykonanych z wody, Dawn Pro i różnych stężeń gumy guar lub tlenku polietylenu. I badają właściwości tych płynów na dwa różne sposoby.

Najpierw wykonują test kroplowy, w którym tworzy się kropla, a następnie spada z pipety. Filmują ten proces za pomocą szybkiej kamery. W szczególności badają, jak w momencie opadania kropli między kroplą a pipetą tworzy się nić.

Tworzą również arkusz folii za pomocą sznurka zanurzonego w płynie. Używają czujnika podczerwieni do pomiaru grubości tej folii, jej zmian przed pęknięciem arkusza oraz tego, jak polimery mogą przedłużyć ten okres eksploatacji.

Wyniki stanowią ciekawą lekturę. Najbardziej wytrzymałe rozwiązania do wytwarzania pęcherzyków to takie, które umożliwiają ciągłe ciągnienie gwintu łączącego bez zerwania. łatwo sobie wyobrazić, że najlepszym na to sposobem jest dodawanie polimerów o dłuższych łańcuchach w coraz większych stężeniach.

Ale Frazier i spółka twierdzą, że wyniki tego nie potwierdzają. Mówią, że najsolidniejsze roztwory do wytwarzania bąbelków mają pośrednie stężenia i mieszaninę polimerów o różnych masach cząsteczkowych, co pozwala na ciągłe wciąganie dużej objętości cieczy w folię bez pękania.

Pokazują to, dodając tlenek polietylenu, który został celowo zdegradowany pod wpływem światła słonecznego w ciągu sześciu miesięcy. W tym procesie światło słoneczne rozbiłoby cząsteczki na krótsze łańcuchy, tworząc mieszaninę o różnej długości. Okazuje się, że jest to najbardziej niezawodne rozwiązanie.

Dokładnie, dlaczego to działa, jest zagadką. Frazier i wsp. stawiają hipotezę, że krótsze łańcuchy działają jak ogniwa między najdłuższymi i największymi polimerami w roztworze. Według naszej wiedzy, dowody na to zachowanie nie zostały opisane w literaturze i są pozostawione do przyszłych badań skupiających się na reologii rozciągliwej, mówią.

Badania rzucają również nieco światła na warunki atmosferyczne, które najlepiej nadają się do tworzenia gigantycznych bąbelków. Kluczowym czynnikiem jest długowieczność filmu mydlanego: folie o dłuższej żywotności pozwalają na większe bąbelki.

Dodatki polimerowe zwiększają trwałość, ale nikt nie jest pewien dlaczego. Jedną z możliwości jest pogrubienie folii. Innym jest to, że polimery zapobiegają spływaniu wody z folii, a tym samym wydłużają jej żywotność.

Frazier i spółka zdobyli pewien wgląd w tę zagadkę. Mówią, że kluczowym czynnikiem wzmacniającym film jest stężenie polimeru w nim, które wzrasta wraz z usuwaniem wody. Jeśli jednak usunie się zbyt dużo wody, film staje się zbyt cienki i pęka. Tak więc w pracy istnieje ostrożna równowaga.

Dwa czynniki mogą usunąć wodę. Pierwsza to grawitacja, która odprowadza wodę z mydlanej folii. Drugim jest parowanie, które ma duże znaczenie ze względu na ogromną powierzchnię folii.

Frazier i spółka twierdzą, że zwiększenie wilgotności w ich eksperymentach zwiększa również żywotność baniek. Sugeruje to, że należy zminimalizować parowanie, aby zapobiec zbyt cienkiej folii. Nic dziwnego, że wielu entuzjastów bąbelków preferuje ciepłe, wilgotne letnie dni do robienia największych bąbelków.

To interesująca praca, która rzuca nowe światło na fizykę cienkich warstw. Ujawnia również nieznany wcześniej efekt polegający na interakcji polimerów o różnych długościach w celu zwiększenia wytrzymałości folii. To efekt, który należy zbadać bardziej szczegółowo.

Jest to również praca, którą Gary Pearlman może uznać za przydatną, jeśli w przyszłości spróbuje pobić swój rekord świata.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1908.00537 : Jak zrobić gigantyczną bańkę

ukryć