Kemien bag, hvordan du laver en rekordstor gigantisk sæbeboble

En bub;e Pexels

Den 20. juli 2015 samledes Gary Pearlman og en lille gruppe entusiaster i en park i Cleveland, Ohio, til et verdensrekordforsøg. Målet: at skabe den største fritsvævende sæbeboble i historien.

Pearlmans udstyr bestod af et par fiskestænger med en snor bundet imellem sig. Han dyppede snoren i en speciel blanding af vand, sæbe og polymeradditiver og løftede den op i luften. Dette løftede løsningen og skabte et tyndt stykke sæbefilm. Mens Pearlman viftede med stængerne, strakte luftens bevægelse sig og forlængede sæbefilmen og dannede en kæmpe boble.

Samtidig fotograferede uafhængige observatører boblen fra forskellige vinkler, så de kunne beregne dens volumen. Det viste sig at være 96,27 kubikmeter (3.399,74 kubikfod) - den største nogensinde målt. Den dag indtog Pearlman sin plads i Guinness Rekordbog

I pantheonet af videnskabelige resultater er skabelsen af ​​gigantiske sæbebobler desværre undervurderet. Og alligevel stiller det et sæt gåder, der har fascineret Stephen Frazier og kolleger på Emory University i Atlanta.

De påpeger, at en boble er lavet af en skrøbelig film, der kun er få mikrometer tyk, og alligevel må Pearlmans rekordstore kæmpe have haft et overfladeareal på mere end 100 kvadratmeter. Et enkelt hul kan få boblen til at briste. Hvordan skabes så store film, og hvordan forbliver de stabile? spørg Frazier og co.

I dag giver holdet nogle svar. Disse fyre har studeret sæbefilms egenskaber, og hvordan de ændrer sig, når polymerer af forskellig art tilsættes. Resultaterne giver et unikt indblik i videnskaben om bobledannelse og de atmosfæriske forhold, der er mest gunstige for verdensrekordforsøg.

Først lidt baggrund. Boble-entusiaster har længe diskuteret de bedste blandinger til deres kunst. For dem, der er interesseret i at lave gigantiske bobler, er den Sæbeboble Wiki indeholder et væld af empirisk information og opskrifter på optimale bobleløsninger, siger Frazier og co.

Konsensus er, at de bedste bobleblandinger indeholder vand, et vaskemiddel i form af opvaskemiddel (Dawn Pro ser ud til at være favoritten) og en blanding af polymerer, langkæde-lignende molekyler, der øger væskens viskositet. De foretrukne polymerer er polyethylenoxid (også kaldet polyethylenglycol), der ofte bruges i hudcremer, og guargummi, et almindeligt fødevarefortykningsmiddel ekstraheret fra guarbønner.

Polymerer er vigtige. Sæbeboble-wikien fastslår, at det er næsten umuligt at lave gigantiske bobler uden dem. Men præcis, hvad de gør, er dårligt forstået. Den præcise rolle, som polymerer spiller, er lidt af et mysterium, siger wikien.

Indtast Frazier og co, som studerer nogle af de egenskaber, som polymerer giver til bobleblandinger. Vi identificerer nogle af de underliggende fysiske mekanismer, der giver anledning til gigantiske bobler, siger de.

Deres metode er ligetil. De skaber en række blandinger lavet af vand, Dawn Pro og forskellige koncentrationer af enten guargummi eller polyethylenoxid. Og de studerer disse væskers egenskaber på to forskellige måder.

Først udfører de en dryptest, hvor en dråbe dannes og derefter falder fra en pipette. De filmer denne proces ved hjælp af et højhastighedskamera. De studerer især, hvordan der i det øjeblik en dråbe falder, dannes en tråd mellem dråben og pipetten.

De skaber også et ark film ved hjælp af en snor dyppet i væsken. De bruger en infrarød sensor til at måle tykkelsen af ​​denne film, hvordan den ændrer sig, før arket brister, og hvordan polymerer kan forlænge denne levetid.

Resultaterne giver interessant læsning. De mest robuste boblefremstillingsløsninger er dem, der gør det muligt at trække forbindelsestråden kontinuerligt uden at gå i stykker. det er let at forestille sig, at tilføjelse af polymerer med længere kæder i stadigt stigende koncentrationer er den bedste måde at gøre dette på.

Men Frazier og co siger, at resultaterne ikke understøtter dette. De mest robuste løsninger til fremstilling af bobler har mellemkoncentrationer og en blanding af polymerer med forskellige molekylvægte, hvilket tillader en stor mængde væske kontinuerligt at blive trukket ind i en film uden at gå i stykker, siger de.

Det viser de ved at tilføje polyethylenoxid, der med vilje var blevet nedbrudt i sollys over seks måneder. I processen ville sollyset have nedbrudt molekylerne i kortere kæder, hvilket ville skabe en blanding af forskellige længder. Dette viser sig at skabe den mest robuste løsning.

Præcis hvorfor dette virker er et puslespil. Frazier og co antager, at de kortere kæder fungerer som bindeled mellem de længste og største polymerer i opløsning. Så vidt vi ved, er beviser for denne adfærd ikke blevet rapporteret i litteraturen og overlades til fremtidige undersøgelser med fokus på ekstensionsreologi, siger de.

Forskningen kaster også lidt lys over de atmosfæriske forhold, der er bedst egnede til at lave gigantiske bobler. En nøglefaktor er sæbefilmens levetid: film med længere levetid tillader større bobler.

Polymertilsætningsstofferne øger levetiden, men ingen ved hvorfor. En mulighed er, at de gør filmene tykkere. En anden er, at polymererne forhindrer vand i at dræne fra filmen og dermed forlænger dens levetid.

Frazier og co har fået en vis indsigt i denne gåde. De siger, at en nøglefaktor til at styrke filmen er koncentrationen af ​​polymer i den, og dette stiger, når vandet fjernes. Men hvis der fjernes for meget vand, bliver filmen for tynd og går i stykker. Så der er en omhyggelig balance på arbejdet.

To faktorer kan fjerne vand. Den første er tyngdekraften, som dræner vand fra sæbefilmen. Den anden er fordampning, som er væsentlig på grund af filmens enorme overfladeareal.

Frazier og co siger, at forøgelse af fugtigheden i deres eksperimenter også øger boblernes levetid. Dette tyder på, at fordampningen skal minimeres for at forhindre, at filmen bliver for tynd. Det er ikke underligt, at mange bobleentusiaster foretrækker varme, fugtige sommerdage til at lave de største bobler, siger de.

Det er interessant arbejde, der kaster nyt lys over fysikken i tynde film. Det afslører også en hidtil ukendt effekt på den måde, at polymerer af forskellig længde interagerer for at øge styrken af ​​en film. Det er en effekt, der skal undersøges nærmere.

Det er også et arbejde, som Gary Pearlman kan finde nyttigt, hvis han skulle prøve at slå sin verdensrekord i fremtiden.

Ref: arxiv.org/abs/1908.00537 : Sådan laver du en kæmpe boble

skjule