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道理我都懂……但肥皂泡怎么才能吹更大?

发布时间:2020-05-23 来源:我是科学家 阅读:138


  • 1. 吹大泡泡的关键在于肥皂液;
  • 2. 肥皂液中除了水和洗洁精等基本原料,还要添加聚合物;
  • 3. 聚合物可以提高肥皂液的拉伸黏度,并改善泡泡的寿命;
  • 4. 科学家推荐的吹大泡泡神秘配方在文章结尾。


小朋友,你是否有很多问号?

纸飞机怎么飞的远?葫芦娃爷爷叫啥名?灰太狼什么时候能抓到羊?

……

在众多童年迷思中,今天我们试图来解答其中一个:肥皂泡怎么吹得大?

谁不喜欢吹泡泡呢?

公元前2900年,古巴比伦人发明了肥皂。有理由相信这里很可能也诞生了第一个吹肥皂泡的人。

随后的千年时光,肥皂在世界范围内逐渐流行,也有越来越多的人开始吹起了肥皂泡。

法国画家夏尔丹名画《肥皂泡》 | commons.wikimedia.org


现如今,世界上的肥皂泡爱好者们众多,他们甚至组成了一个全球性的组织——国际泡泡艺术家协会。

科技在发展,时代在进步,但是如何吹出一个大泡泡,却仍是困扰无数人的童年迷思。

贾斯汀·伯顿(Justin C. Burton)同样有这样的迷思。作为美国埃默里大学的物理学副教授,他一直好奇,那些街头艺术家们如何把泡泡吹成“直径有呼啦圈大小,长度和一辆汽车相当”。

于是,贾斯汀决定自己造个大泡泡。

巨大泡泡背后的奥秘

目前,世界上最大的室外自由漂浮肥皂泡是由泡泡大师U.R.Awesome博士创造。在2015年,他使用两根鱼竿绑着绳子,沾满肥皂液,创造了一个96.27立方米的超级大泡泡,体积接近一辆卡车。

目前记录的最大的户外肥皂泡 | drurawesome.com


而大泡泡专用的肥皂液配方并不是什么奥秘,甚至有人把爱好者们公布的配方搜集在一起,做成了肥皂泡维基(Soap Bubble Wiki)。

在众多肥皂泡配方中,除了水和洗涤剂这些常见的原料,还往往包含一些聚合物。比如,在肥皂泡维基中最常出现的天然瓜尔胶或聚环氧乙烷(PEO),前者是一种常用的食品增稠剂,后者是工业上常用的增稠剂和润滑油。

贾斯汀敏锐地意识到,制造巨大泡泡的关键就在于聚合物。

聚乙二醇的分子式,分子量超过20000的一般称为聚环氧乙烷(PEO)


贾斯汀和他的团队在水与洗洁精(起到肥皂的作用)的混合溶液中,分别加入不同浓度的瓜尔胶溶液和PEO溶液(J-Lube润滑液,PEO含量为25%),研究它们如何影响了肥皂泡的大小。

首先,他们测试了不同浓度溶液的剪切黏度,这一指标最能反映肥皂液这类液体流动性的强弱。

当加入PEO后,剪切黏度并未发生太大变化;而加入瓜尔胶后,剪切黏度随着浓度升高而增大,甚至可达到PEO溶液的10倍。两种溶液的如此巨大的差异,但又都能吹出大泡泡,说明了肥皂液的剪切黏度并不是主要因素。

在形成肥皂泡时,肥皂液会离开棉线,并逐渐拉伸。因此,贾斯汀将目光转向流体另一个重要参数——拉伸黏度,这能体现拉伸状态下流体的运动特点。

贾斯汀使用高速摄像机拍下了液滴下落(拉伸)的过程,测量了最终滴下之前的拉伸长度和破裂时间——无论是加入瓜尔胶还是PEO,都会对流体的拉伸性能产生显著影响。看来,“拉伸黏度”才是这些聚合物分子发挥作用的关键。

不同PEO分子量和浓度下拉伸的长度(Frazier,2020)


而且在实验中,贾斯汀发现聚合物的添加并不是浓度越高越好,而是需要在一个合适的浓度范围,才能最大程度改善肥皂液的拉伸黏度。他解释说,“聚合物缠结在一起时,就像一个毛线球,形成了一个不容易分开的长链,只要在最合适的浓度下,它们能使肥皂膜达到一个既有黏性又有弹性的最佳点。”

此外,研究者们发现了网友的一个建议:聚合物静置一段时间再使用,效果会更好。贾斯汀意识到瓜尔胶和PEO这些高分子聚合物静置后,会使原本很长的分子链会降解,产生不同长度分子链的混合物。于是,贾斯汀配置了不同分子量的PEO溶液。通过混合两种不同分子量的溶液(相当于模拟了静置后的溶液),发现确实比单一溶液的效果好。

为什么会出现这种现象?暂时并没有明确的理论来解释,贾斯汀也仅仅给出一种推测。在溶液中,聚合物的瞬间缠结会导致流体拉伸黏度变化,而多种分子量混合的聚合物会与表面活性剂分子产生更丰富的相互作用。

贾斯汀(左)和他的学生在埃默里大学的草坪上进行实验 | arstechica.com


找到最佳肥皂液配方

在实际制造一个巨大泡泡的时候,肥皂膜会受到重力作用、蒸发以及环境因素的影响,它们必须要具有足够的厚度,并能持续存在一定时间。

为了寻找制造巨大泡泡的最佳方案,贾斯汀团队还想揭示什么影响着肥皂膜寿命和厚度。为此,他们还自行设计了一个可以根据时间测量膜厚度的装置。

令他们惊讶的是,加入聚合物后的膜并没有显著变厚,而膜厚度更依赖于所选择的表面活性剂,也就是所用的肥皂或洗洁精的性质。

也就是说,一款合适的洗洁精,是吹出厚泡泡的基础。

贾斯汀团队设计的测量肥皂膜厚度的红外线放大装置(Frazier,2020)


关于膜寿命的问题则稍显复杂。

首先,他们发现加入过聚合物的膜寿命确实更长,而且在最优的浓度范围内,加入瓜尔胶的要比加入PEO的膜寿命长的多。因此,他们认为瓜尔胶可以胜出成为最佳原料。

其次,聚合物分子量和浓度决定了膜寿命的长短。与之前的实验相似,并非分子量和浓度越高,膜寿命就越长,而是有一个适合的浓度范围,在这一范围内,可以近似地看作:浓度越高,寿命越长。

图中红色条为最佳溶液浓度范围,横坐标为浓度,纵坐标为膜寿命 (Frazier,2020)

此外,他们再一次验证了网友的智慧——肥皂泡爱好者们喜欢在凉爽潮湿的天气时发挥自己的创意。炎热的天气会增加液体蒸发速率,他们就测试了相对湿度下的肥皂膜寿命,发现了相对湿度在75%以上,就会显著增加膜寿命,在相对湿度90%的情况下,膜可以存在250秒以上。

这样一项从娱乐活动启发,得到网友经验帮助的研究,最终发表在了流体物理学刊物Physics Review Fluids上。

贾斯汀在论文中表示,更专业的流变学实验和分子动力学模拟可能会有助于阐明两种聚合物协同作用的原理。看似简单的肥皂泡又给我们带来了新的物理问题。

他说,“与所有基础研究一样,你必须遵循自己直觉和内心,有时肥皂泡会破裂,但就在这时我们发现了有趣的东西。”

或许,新发现就从吹一个肥皂泡开始!


巨型泡泡配方(贾斯汀提供)

· 1公升水

· 50毫升黎明专业洗涤剂(超过三大汤匙,可在线购买)

· 2-3克瓜耳粉(约1/2茶匙)

· 50毫升外用酒精(比三大汤匙多一点)

· 2克发酵粉(约1/2茶匙)

先将瓜尔豆粉和酒精混合,搅拌到没有结块。然后将酒精/瓜尔豆液与水混合,轻轻搅拌10分钟。静置一会儿使瓜耳豆水合,然后再次混合。水应该稍微变稠,就像稀汤或未凝固的明胶。加入发酵粉搅拌。加入黎明专业清洁剂,轻轻搅拌,避免产生泡沫。肥皂液这就配好了!

将一根带绳的魔杖浸入液体中,直到完全浸没,然后慢慢地拉出。慢慢挥动你的魔杖,或者向它吹气。享受巨大泡泡带来的快乐吧!


关键词:肥皂泡 更大

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