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可吹出100立方米巨大泡泡,物理学家找到完美肥皂水配方

作者: 学术君

时间: 2020-02-19 11:25

近日,物理学家在《流体物理评论》(Physical Review Fluids)杂志上发表的一篇新论文中指出,一种由不同链长聚合物混合而成的关键成分可以产生一种肥皂膜,这种肥皂膜可以拉伸到足够薄,从而形成一个巨大且不破裂的气泡。

每个人都喜欢吹气泡,无关年龄,且泡泡越大越好。但想要吹出能够打破世界纪录的巨大气泡,却需要非常严格的泡泡液。

近日,物理学家在《流体物理评论》(Physical Review Fluids)杂志上发表的一篇新论文中指出,一种由不同链长聚合物混合而成的关键成分可以产生一种肥皂膜,这种肥皂膜可以拉伸到足够薄,从而形成一个巨大且不破裂的气泡。

这篇文章提到使用肥皂、水和长链聚合物的混合物,可以形成体积接近 100 立方米的自由漂浮的肥皂泡。

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物理学家 Justin Burton (左)和研究生 Stephen Frazier 在埃默里大学的院子里用巨大的肥皂泡做实验(来源:Burton Lab/Emory University)

一项严肃的科学

肥皂泡可能看起来极其普通而且简单,但其背后的物理学原理却很复杂,因此相关研究一直以来都是一项严肃的科学。

在 19 世纪,比利时物理学家 Joseph Plateau 概述了决定肥皂膜结构的表面张力的四个基本定律。表面张力决定了气泡为什么是圆的,体积一定时,这种形状的表面积最小,因此它需要的能量也最少。随着时间的推移,当重力将液体向下拉时,这个形状看起来更像一个足球,而非一个完美的球体。

之后,气泡和泡沫都是一个活跃的研究领域。2016 年,法国物理学家建立了一个理论模型,解释了为什么空气喷射到肥皂表面上会形成肥皂泡的确切机制。

他们发现只有气流速度高于一定的值,才会形成肥皂泡,这反过来也取决于气流的宽度。如果气流较宽,形成肥皂泡的速度阈值将较低,而且这些肥皂泡要比窄气流中产生的肥皂泡更大,而窄气流中形成肥皂泡的速度阈值则较大。

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2018 年,《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一篇论文,纽约大学应用数学实验室(Applied Math Lab)的数学家们在类似肥皂薄膜实验的基础上,进一步微调了能够吹出完美肥皂泡的配方。

他们得出的结论是:最好使用周长为 1.5 英寸的圆形吹泡棒,以 6.9 厘米/秒的平稳速度轻轻吹气。如果吹得太快、使用更小或更大直径的吹泡棒,气泡都会较快破裂。

如何吹出更大的气泡?

这篇最新论文的作者之一、埃默里大学(Emory University)流体动力学专业的物理学家 Justin C. Burton,首次对这个话题产生兴趣,是在巴塞罗那的一次会议上。

当时他看到街头表演者制造的巨大气泡有呼啦圈那么大,有一辆车那么长。他对气泡表面变幻的彩虹颜色特别感兴趣,这种效果是由于光线在薄膜的两个表面反射时产生的干涉图样。对 Burton 来说,这表明肥皂的厚度只有几微米,近似于光的波长。

他很惊讶地发现,当肥皂薄膜被拉伸成一个巨大的气泡时,竟然还能保持完整。于是,他开始在实验室和自家后院进行自己的实验。

当 Burton 仔细阅读开放访问的肥皂泡维基百科时,他注意到大多数常用的肥皂泡溶液配方都含有一种聚合物——通常是天然的瓜尔胶(一种常见的增稠食品添加剂)或一种医用润滑剂(聚乙二醇)。

他表示,“以这些配方为指导,我们开始制造气泡并使它们爆裂,然后记录下这个过程的速度和对应的动力学,在流动最剧烈的时刻关注它,以了解它的许多基本物理特性。”

研究人员的最终目标是确定一个产生巨大气泡的气泡混合物完美比例,这个巨大气泡有一点拉伸,流体流动一点点,但不要太多。

实验人员研究了表面活性剂和聚合物溶液的特性,这些溶液通常用于制造表面积接近 100 平方米、厚度几微米的巨大气泡。制造这些气泡最重要的添加剂是亲水的高分子聚合物,如瓜尔胶和聚乙烯氧化物(PEO)。

研究发现,这些稀释的聚合物溶液的拉伸流变学是制备薄膜的最重要因素,虽然 PEO 表面活性较弱,但对气-水界面有吸收作用。考虑到用于巨大气泡的聚合物浓度范围与体积拉伸性能非常一致,研究者认为表面粘弹性效应在大气泡的形成中起着次要的作用。

正如 Lissie Connors 在《物理热点》(Physics Buzz)上写道:在他们的实验中,研究人员制造了各种水、肥皂和长链聚合物的混合物来制造气泡。不幸的是,吹100立方米的泡泡对实验室空间的利用率很差,很难准确测量,所以泡泡棒是用棉线制作的,厚度是用红外线测量的。除了测量厚度外,他们还跟踪每一层薄膜的寿命。

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不同气泡溶液的薄膜寿命与浓度的关系(来源:Physical Review Fluids)

最终,Burton 和他的团队得出结论,聚合链是产生巨大气泡的关键,证实了网上的集体智慧。Burton 说:“聚合物链缠绕在一起,就像一个发丝球,形成较长的链,而不会断裂。在正确的组合下,一种聚合物可以让肥皂膜达到一个‘最佳状态’,这个状态是粘性的,但也有一定的弹性。”

研究小组还发现,改变聚合物链的长度可以得到更坚固的肥皂膜。不同尺寸的聚合物比单一尺寸的聚合物更容易链结在一起,增强了薄膜的弹性。这也是一个基础性的物理学发现。

巨型气泡配方

以下是Burton的巨型气泡配方,但与Burton的实验室环境不同,有些条件在现实世界中是无法控制的,比如湿度水平。

成分:

  • 1L 水;
  • 50mL Dawn 专业清洁剂(略多于 3 汤匙);
  • 2-3g 瓜尔豆粉(一种食品增稠剂)(约 1/2 茶匙);
  • 50mL 外用酒精(略多于 3 汤匙);
  • 2g 泡打粉(约半茶匙)。

使用说明书:

  1. 将瓜尔豆粉和酒精混合,搅拌直到没有结块;
  2. 将酒精、瓜尔豆粉与水混合,轻轻搅拌 10 分钟,让瓜尔豆水合物静置一会儿,然后再次搅拌,水应该稍微浓一点,像稀汤或汤;
  3. 加入泡打粉搅拌;
  4. 加入 Dawn 专业清洁剂,轻轻搅拌,避免产生泡沫;
  5. 将一根带纤维线的大泡泡棒浸入混合物中,直到完全浸没,然后慢慢地拉出纤维线,慢慢挥动泡泡棒或吹它,以产生巨大的肥皂泡。

文章来源:

Physical ReviewFluids, 2020. 10.1103/PhysRev Fluids.5.013304.

文章题目:How to make a giant bubble

摘要:

Using mixtures of soap, water, and long chain polymers,free-flfloating soap bubbles can be formed with volumes approaching 100 m3 .Here we investigate how such thin fifilms are created and main tained overtime. We show how the extensional rheology is the mostimportant factor in creating the bubble, and how polydispersity in molecularweight of the solvated polymers leads to better perfor mance at lowerconcentrations. Additionally, using IR absorption, we measure soap fifilmthickness profifiles and fifilm lifetimes. Although the initial thicknessmostly depends on the choice of detergent, polymers can dramatically increasefifilm lifetime at high molecular weights and high concentrations, althoughsuch high concentrations can inhibit the initial fifilm formation. Thus, theideal concentra tion of polymer additives for making giant bubbles requires arobust viscoelastic rheology during extension, and is aided by long fifilmlifetimes during gravitational drainage and evaporation.

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