Fysik af gigantiske bobler brister hemmelighed af væskemekanik

En undersøgelse inspireret af gadeartister, der laver gigantiske sæbebobler, førte til en opdagelse inden for væskemekanik:Blanding af forskellige molekylstørrelser af polymerer i en opløsning øger en tynd films evne til at strække sig uden at gå i stykker.

Journalen Fysisk gennemgangsvæske offentliggjort resultaterne af undersøgelsen af ​​fysikere ved Emory University. Resultaterne kan potentielt føre til forbedring af processer såsom strømmen af ​​olier gennem industrielle rør og fjernelse af forurenende skum i vandløb og floder.

Resultaterne har også implikationer for bobleblæsende entusiaster i baghaven.

"Denne undersøgelse sætter helt sikkert det sjove i grundlæggende videnskab, " siger Justin Burton, lektor i fysik ved Emory University og seniorforfatter af papiret.

Væskedynamik er et af fokuspunkterne i Burtons laboratorium. "Processerne med væskedynamik er visuelt smukke, og de er overalt på vores planet, fra dannelsen og opdelingen af ​​dråber og bobler til flyvemaskiners aerodynamik og dybhavsvæltningen af ​​verdenshavene, " han siger.

Mens Burton var i Barcelona til en konference for et par år siden, tilfældigvis så han gadeartister lave enorme bobler ved hjælp af en sæbeopløsning og en tyk bomuldssnor. "Disse bobler var omtrent diameteren på en hulahop og lige så meget som en billængde, " husker han. "De var også smukke, med farveskift fra rød til grøn til blålige toner på deres overflade."

Denne regnbueeffekt viser, at en films tykkelse er sammenlignelig med lysets bølgelængde, eller bare et par mikrometer, forklarer han.

At se forestillingen udløste et fysikspørgsmål i Burtons sind:Hvordan kunne sådan en mikroskopisk tynd film bevare sin integritet over så stor en afstand uden at gå i stykker? Han begyndte at undersøge, både i sin baghave og i sit laboratorium.

Da Burton undersøgte bobleopskrifter, stødte han på sæbeboble-wikien, en online, open source-projekt. Wikien angiver, at den har til formål at hjælpe "boblere" med at skabe "den perfekte boble" ved at adskille fakta fra folklore vedrørende opskrifter og ingredienser til fremstilling af sæbebobler.

Ud over vand og opvaskemiddel, sæbeboble-wiki-opskrifterne inkluderede normalt en polymer - et stof bestående af lange kæder af gentagne molekyler. De mest almindelige polymerer i opskrifterne var naturlig guar, et pulver, der bruges som tilsætningsstof i nogle fødevarer, eller industriel polyethylenglycol (PEO), et smøremiddel, der bruges i nogle lægemidler. Vejledt af wiki-anbefalingerne, Burton gennemførte laboratorieforsøg sammen med to studerende medforfattere, der siden er blevet færdige:Stephen Frazier, som modtog en master i fysik i maj og er førsteforfatter, og bachelor Xinyi Jiang.

"Vi begyndte grundlæggende at lave bobler og sprænge dem, og registrerede hastigheden og dynamikken i den proces, "Siger Burton. "At fokusere på en væske i dens mest voldelige øjeblikke kan fortælle dig meget om dens underliggende fysik."

Sæbefilm absorberer infrarødt lys, så forskerne lod det skinne gennem boblerne for at måle tykkelsen af ​​filmene. De målte også molekylvægtene af de forskellige polymerer, de brugte i bobleopskrifterne. Og de lod tyngdekraften trække dråber af de forskellige sæbefilm fra en dyse, for at måle, hvor længe den resulterende væsketråd kan strække sig mellem dysen og dråben, før den knækker.

Resultaterne afslørede, at polymerer var nøgleingrediensen til at lave kolossale bobler. Den lange, fibrøse tråde af polymerer gør det muligt for boblerne at flyde jævnt og strække sig yderligere uden at springe.

"Polymerstrengene bliver viklet ind, noget som en hårbold, danner længere tråde, der ikke ønsker at gå i stykker, " Burton forklarer. "I den rigtige kombination, en polymer gør det muligt for en sæbefilm at nå et "sweet spot", der er tyktflydende, men også strækbart - bare ikke så strækbart, at det rives fra hinanden."

Arbejdet bekræfter, hvad mange ekspert-"boblere" allerede havde fundet ud af - en god gigantisk sæbebobleopskrift bør indeholde en polymer.

"Vi lavede fysikken for at forklare, hvorfor og hvordan polymerer kan få en væskefilm til at strække sig så langt som 100 kvadratmeter uden at gå i stykker, " siger Burton.

Fysikerne fandt også ud af, at varierende molekylstørrelser på polymererne hjælper med at styrke sæbefilm. Den opdagelse skete ved et uheld.

Forskerne arbejdede på projektet i mere end et år og opbevarede nogle beholdere med PEO, de havde købt. De indså, at PEO fra beholdere, der havde ældet omkring seks måneder, producerede stærkere sæbeboblefilm sammenlignet med PEO fra beholdere, der blev brugt, da det først blev købt. Efter undersøgelse, de indså, at polymererne i den gamle PEO var blevet nedbrudt over tid, variere længden af ​​de molekylære strenge.

"Polymerer af forskellige størrelser bliver endnu mere sammenfiltrede end polymerer i en enkelt størrelse, styrkelse af filmens elasticitet, " siger Burton. "Det er en grundlæggende fysikopdagelse."

Forstå hvordan væsker og tynde film reagerer på stress, Burton siger, kan føre til en række applikationer, såsom at forbedre strømmen af ​​industrielle materialer gennem rør, eller oprensning af giftige skum.

"Som med al grundforskning, du skal følge dine instinkter og hjerte, " Burton siger om sin sæbeboble-odyssé. "Nogle gange bliver din boble sprængt, men i dette tilfælde, vi opdagede noget interessant."