Kemin bakom hur du gör en rekordstor såpbubbla

En bubb;e Pexels

Den 20 juli 2015 samlades Gary Pearlman och en liten grupp entusiaster i en park i Cleveland, Ohio, för ett världsrekordförsök. Målet: att skapa historiens största frisvävande såpbubbla.

Pearlmans utrustning bestod av ett par fiskespön med något snöre knutet mellan dem. Han doppade snöret i en speciell blandning av vatten, tvål och polymertillsatser och lyfte upp det i luften. Detta lyfte lösningen och skapade ett tunt ark av tvålfilm. När Pearlman viftade med stavarna sträckte sig luftens rörelse och förlängde den tvåliga filmen och bildade en gigantisk bubbla.

Samtidigt fotograferade oberoende observatörer bubblan från olika vinklar så att de kunde beräkna dess volym. Det visade sig vara 96,27 kubikmeter (3 399,74 kubikfot) — den största som någonsin uppmätts. Den dagen tog Pearlman med rätta sin plats i Guinness rekordbok

I pantheonen av vetenskaplig prestation är skapandet av gigantiska såpbubblor tyvärr underskattat. Och ändå ställer det upp en uppsättning pussel som har fascinerat Stephen Frazier och kollegor vid Emory University i Atlanta.

De påpekar att en bubbla är gjord av en skör film bara några mikrometer tjock, och ändå måste Pearlmans rekordstora jätte ha haft en yta på mer än 100 kvadratmeter. Ett enda hål kan göra att bubblan spricker. Hur skapas så stora filmer och hur förblir de stabila? fråga Frazier och co.

Idag ger teamet några svar. Dessa killar har studerat egenskaperna hos tvålfilmer och hur de förändras när polymerer av olika slag tillsätts. Resultaten ger en unik inblick i vetenskapen om bubbelbildning och de atmosfäriska förhållanden som är mest gynnsamma för världsrekordförsök.

Först lite bakgrund. Bubbelentusiaster har länge diskuterat de bästa blandningarna för sin konst. För dem som är intresserade av att göra gigantiska bubblor, den Såpbubbla Wiki innehåller en mängd empirisk information och recept för optimala bubbellösningar, säger Frazier och co.

Konsensus är att de bästa bubbelblandningarna innehåller vatten, ett diskmedel i form av diskmedel (Dawn Pro verkar vara favoriten), och en blandning av polymerer, långkedjeliknande molekyler som ökar vätskans viskositet. De gynnade polymererna är polyetylenoxid (även kallad polyetylenglykol), som ofta används i hudkrämer, och guargummi, ett vanligt livsmedelsförtjockningsmedel extraherat från guarbönor.

Polymerer är viktiga. Soap Bubble Wiki säger att det är nästan omöjligt att göra jättebubblor utan dem. Men exakt vad de gör är dåligt förstått. Den exakta rollen som polymerer spelar är lite av ett mysterium, säger wikin.

Ange Frazier och co, som studerar några av egenskaperna som polymerer ger till bubbelblandningar. Vi identifierar några av de underliggande fysiska mekanismerna som ger upphov till jättebubblor, säger de.

Deras metod är okomplicerad. De skapar en rad blandningar gjorda av vatten, Dawn Pro och olika koncentrationer av antingen guargummi eller polyetylenoxid. Och de studerar egenskaperna hos dessa vätskor på två olika sätt.

Först utför de ett dropptest där en droppe bildas och sedan faller från en pipett. De filmar denna process med en höghastighetskamera. Speciellt studerar de hur det, i det ögonblick en droppe faller, bildas en tråd mellan droppen och pipetten.

De skapar också ett filmark med hjälp av ett snöre doppat i vätskan. De använder en infraröd sensor för att mäta tjockleken på den här filmen, hur den förändras innan arket spricker och hur polymerer kan förlänga denna livslängd.

Resultaten ger intressant läsning. De mest robusta bubbeltillverkningslösningarna är de som gör att anslutningstråden kan dras kontinuerligt utan att gå sönder. det är lätt att föreställa sig att tillsats av polymerer med längre kedjor i ständigt ökande koncentrationer är det bästa sättet att göra detta.

Men Frazier och co säger att resultaten inte stöder detta. De mest robusta lösningarna för att göra bubblor har mellanliggande koncentrationer och en blandning av polymerer med olika molekylvikter, vilket gör att en stor volym vätska kontinuerligt kan dras in i en film utan att gå sönder, säger de.

De visar detta genom att tillsätta polyetylenoxid som avsiktligt hade bryts ned i solljus under sex månader. I processen skulle solljuset ha brutit ner molekylerna till kortare kedjor och skapat en blandning av olika längder. Detta visar sig skapa den mest robusta lösningen.

Exakt varför detta fungerar är ett pussel. Frazier och co antar att de kortare kedjorna fungerar som länkar mellan de längsta och största polymererna i lösning. Såvitt vi vet har bevis för detta beteende inte rapporterats i litteraturen, och lämnas för framtida studier fokuserade på extensionell reologi, säger de.

Forskningen kastar också lite ljus över de atmosfäriska förhållanden som är bäst lämpade för att göra jättebubblor. En nyckelfaktor är livslängden på den tvåliga filmen: filmer med längre livslängd tillåter större bubblor.

Polymertillsatserna ökar livslängden, men ingen är säker på varför. En möjlighet är att de gör filmerna tjockare. En annan är att polymererna förhindrar att vatten rinner ur filmen och på så sätt förlänger dess livslängd.

Frazier och co har fått lite insikt i denna gåta. De säger att en nyckelfaktor för att stärka filmen är koncentrationen av polymer i den, och detta ökar när vatten avlägsnas. Men om för mycket vatten tas bort blir filmen för tunn och går sönder. Så det finns en noggrann balans på jobbet.

Två faktorer kan ta bort vatten. Den första är gravitationen, som dränerar vatten från tvålfilmen. Den andra är avdunstning, vilket är betydande på grund av filmens enorma yta.

Frazier och co säger att ökad luftfuktighet i sina experiment också ökar bubblans livslängd. Detta tyder på att avdunstning måste minimeras för att förhindra att filmen blir för tunn. Det är inte konstigt att många bubbelentusiaster föredrar varma, fuktiga sommardagar för att göra de största bubblorna, säger de.

Det är intressant arbete som kastar nytt ljus över tunna filmers fysik. Det avslöjar också en tidigare okänd effekt på det sätt som polymerer av olika längd samverkar för att öka styrkan hos en film. Det är en effekt som behöver studeras mer i detalj.

Det är också ett arbete som Gary Pearlman kan ha nytta av om han skulle försöka slå sitt världsrekord i framtiden.

Ref: arxiv.org/abs/1908.00537 : Hur man gör en jättebubbla

Dölj