Цивилизация
Все дети и взрослые обожают надувать мыльные пузыри. Однако немногие задумывались над тем, что надо сделать, чтобы надуть по истине гигантские пузыри и какого размера они вообще могут быть. Такая проблема заняла ученых из Университета Эмори (США) под руководством Джастина Бертона, который занимается проблемами динамики жидкостей в своей лаборатории.
«Процессы, связанные с динамикой жидкостей, визуально прекрасны, их можно наблюдать везде на планете – от образования и разрушения капель воды и пузырей до аэродинамики самолетов», — говорит Бертон. Оказавшись несколько лет назад на конференции в Барселоне, Бертон был поражен мыльными пузырями, которые надували на уличные артисты из мыльного раствора при помощи хлопковой веревки.
«Эти пузыри были диаметром с обруч и размером с автомобиль,
— вспоминал ученый. – Они были так прекрасны, переливались цветами от красного до зеленого и голубого на поверхности».
Эффект радуги говорит о том, что толщина мыльной пленки сравнима с длиной волны видимого света, то есть несколько микрон. Увиденное зрелище заставило ученого задуматься, как могут такие гигантские пузыри не лопаться, и какой рецепт нужен для изготовления максимально больших пузырей? Чтобы ответить на этот вопрос, он начал проводить эксперименты у себя дома и в лаборатории.
В процессе изучения темы ученый наткнулся на сайт Soap Bubble Wiki, который объединяет любителей мыльных пузырей и содержит рецепты приготовления лучших растворов. Помимо воды и жидкостей для мытья посуды ученый обнаружил в рецептах различные полимеры – вещества, состоящие из длинных молекулярных цепочек.
Одним из популярных полимеров, подходящих для растворов, оказалась гуароовая камедь – добавка, используемая в пищевой промышленности, а также полиэтиленгликоль, который используется в растворителях, в медицине и косметике. Вооружившись этими знаниями, Бертон вместе с двумя студентами стали проводить опыты в лаборатории.
«В основном мы стали делать надувать пузыри и лопать их, измеряя скорость и динамику процесса, — пояснил Бертон. – Наблюдая за жидкостью в самый ответственный момент вы можете многое понять о лежащей в основе физике».
Чтобы измерять толщину пленок, ученые пропускали через них инфракрасный свет. Также они измеряли молекулярный вес различных полимеров, которые использовали в экспериментах, и исследовали поверхностное натяжение разных образцов, наблюдая за отрывом отдельных капель.
В результате ученые подтвердили гипотезу,
что наличие длинных полимеров действительно делает пузыри прочными и позволяет им сильно растягиваться, не лопаясь.
«Цепочки полимеров становятся запутанными, как комок шерсти, образуя длинные цепи, которые не хотят разрываться, — пояснил Бертон. – При правильной концентрации полимер позволяет мыльной пленке достигать золотой середины, оставаясь вязкой, но тягучей достаточно, чтобы не разорваться. Мы привлекли физику, чтобы объяснить, почему и как полимеры заставляют пленку растягиваться на 100 квадратных метров, не разрываясь».
Кроме того, совершенно случайно ученые додумались еще до одного секрета. Они исследовали пузыри более года, и для этого закупили несколько баллонов с полиэтиленгликолем. Ученые обратили внимание, что пузыри, в составе которых был полиэтиленгликоль, хранившийся более полугода,
лопаются реже, чем с веществом из новых баллонов.
Исследовав феномен, ученые пришли к выводу, что со временем молекулы этого полимера распадаются, и в растворе присутствуют цепочки разной длины, что сильно увеличивает прочность пузырей.
«Полимеры разных размеров оказываются запутанными еще больше, чем одной длины, что увеличивает эластичность пленки, — пояснил Бертон. – Это фундаментальное физическое открытие».
По словам авторов работы, опубликованной в журнале Physical Review Fluids, полученные выводы могут использоваться не только для надувания пузырей, но и в технике — при прокачке масляных жидкостей по трубопроводам, для очистке рек и водоемов от пенистых загрязнителей.
Ну а детям и их родителям ученые предложили рецепт гигантских пузырей, которые лучше всего надувать с помощью толстых плетеных веревок:
--Смешать половину чайной ложки гуаровой камеди с тремя столовыми ложками медицинского спирта, перемешать для отсутствия сгустков.
— Смешать получившуюся взвесь с литром воды, после чего плавно помешивать 10 минут.
— Дать отстояться несколько минут для образования гидратов, снова размешать – раствор должен загустеть.
— Добавить половину чайной ложки пищевой соды, размешать, добавить три чайные ложки средства для мыться посуды.
— Медленно размешать без образования пены.