Ķīmija, kas slēpjas tajā, kā jūs izveidojat rekordlielu milzīgu ziepju burbuli

Burbulis;e Pexels

2015. gada 20. jūlijā Gerijs Pērlmens un neliela entuziastu grupa pulcējās parkā Klīvlendā, Ohaio štatā, lai mēģinātu sasniegt pasaules rekordu. Mērķis: izveidot lielāko brīvi peldošo ziepju burbuli vēsturē.

Pērlmena aprīkojums sastāvēja no pāris makšķerēm, starp kurām bija iesieta aukla. Viņš iemērca auklu īpašā ūdens, ziepju un polimēru piedevu maisījumā un pacēla to gaisā. Tas pacēla šķīdumu, izveidojot plānu ziepju plēves loksni. Kamēr Pērlmans vicināja stieņus, gaisa kustība izstiepja un pagarināja ziepju plēvi, veidojot milzu burbuli.

Tajā pašā laikā neatkarīgi novērotāji fotografēja burbuli no dažādiem leņķiem, lai viņi varētu aprēķināt tā tilpumu. Izrādījās 96,27 kubikmetri (3399,74 kubikpēdas) — lielākais, kāds jebkad izmērīts. Tajā dienā Pērlmens pamatoti ieņēma savu vietu Ginesa rekordu grāmatā

Zinātnes sasniegumu panteonā milzu ziepju burbuļu veidošana diemžēl netiek novērtēta. Un tomēr tas rada mīklu kopumu, kas ir fascinējis Stīvenu Freizeru un viņa kolēģus Emory universitātē Atlantā.

Viņi norāda, ka burbulis ir izgatavots no trauslas, tikai dažus mikrometrus biezas plēves, un tomēr Pērlmena rekordlielā giganta platībai jābūt lielākai par 100 kvadrātmetriem. Viens caurums var izraisīt burbuļa pārsprāgšanu. Kā tiek radītas tik lielas filmas un kā tās paliek stabilas? jautājiet Freizeram un citiem.

Šodien komanda sniedz dažas atbildes. Šie puiši ir pētījuši ziepju plēvju īpašības un to, kā tās mainās, pievienojot dažāda veida polimērus. Rezultāti sniedz unikālu ieskatu burbuļu veidošanās zinātnē un atmosfēras apstākļos, kas ir vislabvēlīgākie pasaules rekorda mēģinājumiem.

Vispirms nedaudz fona. Burbuļu entuziasti jau sen ir apsprieduši labākos maisījumus savai mākslai. Tiem, kas interesējas par milzu burbuļu veidošanu, Ziepju burbulis Wiki satur daudz empīriskas informācijas un receptes optimāliem burbuļu risinājumiem, saka Frazier un co.

Vienprātība ir tāda, ka labākie burbuļu maisījumi satur ūdeni, mazgāšanas līdzekli trauku mazgāšanas šķidruma veidā (iespējams, ka vispiemērotākais ir Dawn Pro) un polimēru maisījumu, garas ķēdes molekulas, kas palielina šķidruma viskozitāti. Iecienītākie polimēri ir polietilēna oksīds (saukts arī par polietilēnglikolu), ko bieži izmanto ādas krēmos, un guāra sveķi, parasts pārtikas biezinātājs, ko ekstrahē no guāra pupiņām.

Polimēri ir svarīgi. Ziepju burbuļu Wiki teikts, ka bez tiem ir gandrīz neiespējami izveidot milzu burbuļus. Bet tieši tas, ko viņi dara, ir slikti saprotams. Precīza polimēru loma ir nedaudz noslēpums, saka wiki.

Ievadiet Frazier un co, kuri pēta dažas īpašības, ko polimēri piešķir burbuļu maisījumiem. Viņi saka, ka mēs identificējam dažus pamatā esošos fiziskos mehānismus, kas rada milzīgus burbuļus.

Viņu metode ir vienkārša. Tie rada virkni maisījumu, kas izgatavoti no ūdens, Dawn Pro un dažādu koncentrāciju guāra sveķiem vai polietilēna oksīda. Un viņi pēta šo šķidrumu īpašības divos dažādos veidos.

Pirmkārt, viņi veic pilienu testu, kurā veidojas piliens un pēc tam no pipetes nokrīt. Viņi filmē šo procesu, izmantojot ātrgaitas kameru. Jo īpaši viņi pēta, kā brīdī, kad piliens nokrīt, starp pilienu un pipeti veidojas pavediens.

Viņi arī izveido plēves loksni, izmantojot virkni, kas iemērc šķidrumā. Viņi izmanto infrasarkano sensoru, lai izmērītu šīs plēves biezumu, kā tas mainās pirms loksnes plīšanas un kā polimēri var pagarināt šo kalpošanas laiku.

Rezultāti rada interesantu lasīšanu. Visizturīgākie burbuļu veidošanas risinājumi ir tie, kas ļauj nepārtraukti vilkt savienojošo vītni bez pārrāvuma. ir viegli iedomāties, ka labākais veids, kā to izdarīt, ir pievienot polimērus ar garākām ķēdēm arvien pieaugošā koncentrācijā.

Bet Freizers un kolēģi saka, ka rezultāti to neatbalsta. Visizturīgākajiem burbuļu veidošanas risinājumiem ir vidēja koncentrācija un dažādu molekulmasu polimēru maisījums, kas ļauj nepārtraukti ievilkt lielu šķidruma daudzumu plēvē, nesalaužot, saka viņi.

Viņi to parāda, pievienojot polietilēna oksīdu, kas tika apzināti degradēts saules gaismā sešu mēnešu laikā. Šajā procesā saules gaisma būtu sadalījusi molekulas īsākās ķēdēs, radot dažāda garuma maisījumu. Tas rada visizturīgāko risinājumu.

Kāpēc tas darbojas, ir mīkla. Frazier un līdzās izvirza hipotēzi, ka īsākas ķēdes darbojas kā saites starp garākajiem un lielākajiem polimēriem šķīdumā. Cik mums zināms, pierādījumi par šo uzvedību literatūrā nav ziņots, un tie ir atstāti turpmākiem pētījumiem, kas vērsti uz ekstensīvo reoloģiju, viņi saka.

Pētījums arī sniedz nelielu informāciju par atmosfēras apstākļiem, kas ir vispiemērotākie milzu burbuļu veidošanai. Galvenais faktors ir ziepju plēves ilgmūžība: plēves ar ilgāku kalpošanas laiku pieļauj lielākus burbuļus.

Polimēru piedevas palielina ilgmūžību, bet neviens nav pārliecināts, kāpēc. Viena iespēja ir, ka tie padara plēves biezākas. Vēl viens ir tas, ka polimēri neļauj ūdenim izplūst no plēves un tādējādi pagarina tās kalpošanas laiku.

Freizers un citi ir guvuši zināmu ieskatu šajā mīklā. Viņi saka, ka galvenais faktors plēves stiprināšanā ir polimēra koncentrācija tajā, un tā palielinās, noņemot ūdeni. Tomēr, ja tiek noņemts pārāk daudz ūdens, plēve kļūst pārāk plāna un saplīst. Tātad darbā valda rūpīgs līdzsvars.

Divi faktori var noņemt ūdeni. Pirmais ir gravitācija, kas novada ūdeni no ziepju plēves. Otrais ir iztvaikošana, kas ir nozīmīga plēves lielās virsmas dēļ.

Frazier un co saka, ka mitruma palielināšana savos eksperimentos palielina arī burbuļa kalpošanas laiku. Tas liek domāt, ka iztvaikošana ir jāsamazina, lai plēve nekļūtu pārāk plāna. Nav brīnums, ka daudzi burbuļu entuziasti lielāko burbuļu veidošanai dod priekšroku siltām, mitrām vasaras dienām, viņi saka.

Tas ir interesants darbs, kas rada jaunu gaismu plāno kārtiņu fizikā. Tas arī atklāj iepriekš nezināmu efektu, kā dažāda garuma polimēri mijiedarbojas, lai palielinātu plēves izturību. Tas ir efekts, kas ir jāizpēta sīkāk.

Tas ir arī darbs, kas Gerijam Pērlmanam varētu būt noderīgs, ja viņš nākotnē mēģinātu pārspēt savu pasaules rekordu.

Atsauce: arxiv.org/abs/1908.00537 : Kā izveidot milzu burbuli

paslēpties