Chemie za tím, jak vytvoříte rekordní obří mýdlovou bublinu

Bublina; e Pexels

20. července 2015 se Gary Pearlman a malá skupina nadšenců sešli v parku v Clevelandu ve státě Ohio, aby se pokusili o světový rekord. Cíl: vytvořit největší volně plovoucí mýdlovou bublinu v historii.

Pearlmanovo vybavení sestávalo z páru rybářských prutů s nějakým provázkem uvázaným mezi nimi. Ponořil strunu do speciální směsi vody, mýdla a polymerních přísad a zvedl ji do vzduchu. Tím se roztok zvedl a vytvořil tenký plátek mýdlového filmu. Jak Pearlman mával tyčemi, pohyb vzduchu natahoval a prodlužoval mýdlový film a vytvořil obří bublinu.

Zároveň nezávislí pozorovatelé vyfotografovali bublinu z různých úhlů, aby mohli vypočítat její objem. Ukázalo se, že je to 96,27 kubických metrů (3 399,74 kubických stop) — největší, jaký byl kdy naměřen. Toho dne Pearlman právem zaujal své místo v Guinessově knize rekordů

V panteonu vědeckých úspěchů je tvorba obřích mýdlových bublin bohužel nedoceněná. A přesto představuje soubor hádanek, které zaujaly Stephena Fraziera a jeho kolegy z Emory University v Atlantě.

Poukazují na to, že bublina je vyrobena z křehkého filmu o tloušťce pouhých několika mikrometrů, a přesto musel mít Pearlmanův rekordní gigant plochu větší než 100 metrů čtverečních. Jediný otvor může způsobit prasknutí bubliny. Jak takové velké filmy vznikají a jak zůstávají stabilní? zeptejte se Fraziera a spol.

Dnes tým poskytuje několik odpovědí. Tito lidé studovali vlastnosti mýdlových filmů a jak se mění, když jsou přidány polymery různých druhů. Výsledky poskytují jedinečný vhled do vědy o tvorbě bublin a atmosférických podmínkách nejpříznivějších pro pokusy o světový rekord.

Nejprve nějaké pozadí. Nadšenci bublin dlouho diskutovali o nejlepších směsích pro jejich umění. Pro zájemce o výrobu obřích bublin, Wiki mýdlové bubliny obsahuje množství empirických informací a receptů na optimální řešení bublin, říkají Frazier a spol.

Shoda je v tom, že nejlepší bublinkové směsi obsahují vodu, detergent ve formě prostředku na mytí nádobí (oblíbeným se zdá být Dawn Pro) a směs polymerů, molekul s dlouhým řetězcem, které zvyšují viskozitu kapaliny. Oblíbenými polymery jsou polyethylenoxid (také nazývaný polyethylenglykol), často používaný v pleťových krémech, a guarová guma, běžné zahušťovadlo potravin extrahované z guarových bobů.

Důležité jsou polymery. The Soap Bubble Wiki uvádí, že bez nich je téměř nemožné vyrobit obří bubliny. Ale přesně to, co dělají, je špatně pochopeno. Přesná role, kterou hrají polymery, je trochu záhadou, říká wiki.

Vstoupí Frazier a spol., kteří studují některé vlastnosti, které polymery dávají bublinkovým směsím. Identifikujeme některé základní fyzikální mechanismy, které dávají vzniknout obřím bublinám, říkají.

Jejich metoda je přímočará. Vytvářejí řadu směsí vyrobených z vody, Dawn Pro a různých koncentrací guarové gumy nebo polyethylenoxidu. A zkoumají vlastnosti těchto tekutin dvěma různými způsoby.

Nejprve provedou kapací test, při kterém se vytvoří kapka a poté spadne z pipety. Tento proces natáčejí pomocí vysokorychlostní kamery. Zejména zkoumají, jak se v okamžiku pádu kapky vytvoří mezi kapkou a pipetou vlákno.

Vytvářejí také vrstvu filmu pomocí provázku ponořeného do tekutiny. Používají infračervený senzor k měření tloušťky tohoto filmu, jak se mění, než list praskne, a jak mohou polymery prodloužit tuto životnost.

Výsledky umožňují zajímavé čtení. Nejrobustnější řešení pro tvorbu bublin jsou ta, která umožňují průběžné tažení spojovacího závitu bez přetržení. je snadné si představit, že přidání polymerů s delšími řetězci ve stále se zvyšujících koncentracích je nejlepší způsob, jak toho dosáhnout.

Ale Frazier a spol. tvrdí, že výsledky to nepodporují. Nejrobustnější řešení pro výrobu bublin mají střední koncentrace a směs polymerů různých molekulových hmotností, což umožňuje plynulé nasávání velkého objemu kapaliny do filmu bez porušení, říkají.

Ukazují to přidáním polyethylenoxidu, který byl úmyslně degradován slunečním zářením po dobu šesti měsíců. V tomto procesu by sluneční světlo rozložilo molekuly na kratší řetězce a vytvořilo směs různých délek. Ukázalo se, že to vytváří nejrobustnější řešení.

Proč to přesně funguje, je hádanka. Frazier a co předpokládají, že kratší řetězce působí jako spojnice mezi nejdelším a největším polymerem v roztoku. Pokud je nám známo, důkazy pro toto chování nebyly v literatuře uvedeny a jsou ponechány pro budoucí studie zaměřené na extenzní reologii, říkají.

Výzkum také vrhá určité světlo na atmosférické podmínky, které se nejlépe hodí k výrobě obřích bublin. Klíčovým faktorem je dlouhá životnost mýdlového filmu: filmy s delší životností umožňují větší bubliny.

Polymerové přísady zvyšují životnost, ale nikdo si není jistý proč. Jednou z možností je, že dělají filmy silnější. Další je, že polymery zabraňují stékání vody z fólie a prodlužují tak její životnost.

Frazier a spol. získali určitý vhled do tohoto rébusu. Říká se, že klíčovým faktorem při zpevňování filmu je koncentrace polymeru v něm, a ta se zvyšuje, když se odstraňuje voda. Pokud se však odstraní příliš mnoho vody, film se příliš ztenčí a praskne. V práci je tedy pečlivá rovnováha.

Dva faktory mohou odstranit vodu. První je gravitace, která odvádí vodu z mýdlového filmu. Druhým je odpařování, které je významné kvůli obrovské ploše filmu.

Frazier a spol. říkají, že zvýšení vlhkosti v jejich experimentech také zvyšuje životnost bublin. To naznačuje, že je třeba minimalizovat odpařování, aby se zabránilo příliš tenkému filmu. Není divu, že mnoho nadšenců bublinek dává přednost teplým a vlhkým letním dnům pro výrobu těch největších bublin, říkají.

To je zajímavá práce, která vrhá nové světlo na fyziku tenkých vrstev. Odhaluje také dříve neznámý efekt ve způsobu, jakým polymery různých délek interagují za účelem zvýšení pevnosti filmu. To je efekt, který je třeba prostudovat podrobněji.

Je to také práce, kterou by Gary Pearlman mohl považovat za užitečnou, pokud by se v budoucnu pokusil překonat svůj světový rekord.

Ref: arxiv.org/abs/1908.00537 : Jak vyrobit obří bublinu

skrýt