Kjemien bak hvordan du lager en rekordstor såpeboble

En bubb;e Pexels

20. juli 2015 samlet Gary Pearlman og en liten gruppe entusiaster seg i en park i Cleveland, Ohio, for et verdensrekordforsøk. Målet: å skape den største frittflytende såpeboblen i historien.

Pearlmans utstyr besto av et par fiskestenger med en snor knyttet mellom seg. Han dyppet strengen i en spesiell blanding av vann, såpe og polymertilsetningsstoffer og løftet den opp i luften. Dette løftet løsningen og skapte et tynt ark med såpefilm. Mens Pearlman viftet med stengene, strakte luftbevegelsen seg og utvidet såpefilmen, og dannet en gigantisk boble.

Samtidig fotograferte uavhengige observatører boblen fra forskjellige vinkler slik at de kunne beregne volumet. Det viste seg å være 96,27 kubikkmeter (3 399,74 kubikkfot) – den største som noen gang er målt. Den dagen tok Pearlman med rette sin plass i Guinness rekordbok

I pantheonet for vitenskapelige prestasjoner blir skapelsen av gigantiske såpebobler dessverre undervurdert. Og likevel utgjør det et sett med gåter som har fascinert Stephen Frazier og kolleger ved Emory University i Atlanta.

De påpeker at en boble er laget av en skjør film som bare er noen få mikrometer tykk, og likevel må Pearlmans rekordstore gigant ha hatt et overflateareal på mer enn 100 kvadratmeter. Et enkelt hull kan få boblen til å sprekke. Hvordan lages så store filmer, og hvordan forblir de stabile? spør Frazier og co.

I dag gir teamet noen svar. Disse karene har studert egenskapene til såpefilmer og hvordan de endres når polymerer av forskjellige slag tilsettes. Resultatene gir et unikt innblikk i vitenskapen om bobledannelse og de atmosfæriske forholdene som er mest gunstige for verdensrekordforsøk.

Først litt bakgrunn. Bobleentusiaster har lenge diskutert de beste blandingene for kunsten deres. For de som er interessert i å lage gigantiske bobler, Såpeboble Wiki inneholder et vell av empirisk informasjon og oppskrifter for optimale bobleløsninger, sier Frazier og co.

Konsensus er at de beste bobleblandingene inneholder vann, et vaskemiddel i form av oppvaskmiddel (Dawn Pro ser ut til å være favoritten), og en blanding av polymerer, langkjedelignende molekyler som øker væskens viskositet. De foretrukne polymerene er polyetylenoksid (også kalt polyetylenglykol), ofte brukt i hudkremer, og guargummi, et vanlig matfortykningsmiddel ekstrahert fra guarbønner.

Polymerer er viktige. Soap Bubble Wiki slår fast at det er nesten umulig å lage gigantiske bobler uten dem. Men nøyaktig hva de gjør er dårlig forstått. Den nøyaktige rollen som polymerer spiller er litt av et mysterium, sier wikien.

Gå inn Frazier og co, som studerer noen av egenskapene som polymerer gir bobleblandinger. Vi identifiserer noen av de underliggende fysiske mekanismene som gir opphav til gigantiske bobler, sier de.

Metoden deres er grei. De lager en rekke blandinger laget av vann, Dawn Pro, og forskjellige konsentrasjoner av enten guargummi eller polyetylenoksid. Og de studerer egenskapene til disse væskene på to forskjellige måter.

Først utfører de en drypptest der en dråpe dannes og deretter faller fra en pipette. De filmer denne prosessen ved hjelp av et høyhastighetskamera. Spesielt studerer de hvordan det i det øyeblikket en dråpe faller, dannes en tråd mellom dråpen og pipetten.

De lager også et filmark ved hjelp av en streng dyppet i væsken. De bruker en infrarød sensor for å måle tykkelsen på denne filmen, hvordan den endres før arket sprekker, og hvordan polymerer kan forlenge denne levetiden.

Resultatene gir interessant lesning. De mest robuste bobleløsningene er de som gjør at forbindelsestråden kan trekkes kontinuerlig uten å gå i stykker. det er lett å forestille seg at tilsetning av polymerer med lengre kjeder i stadig økende konsentrasjoner er den beste måten å gjøre dette på.

Men Frazier og co sier at resultatene ikke støtter dette. De mest robuste løsningene for å lage bobler har mellomkonsentrasjoner og en blanding av polymerer med ulike molekylvekter, slik at et stort volum væske kontinuerlig kan trekkes inn i en film uten å knekke, sier de.

De viser dette ved å tilsette polyetylenoksid som med vilje var blitt nedbrutt i sollys over seks måneder. I prosessen ville sollyset ha brutt ned molekylene til kortere kjeder, og skapt en blanding av forskjellige lengder. Dette viser seg å skape den mest robuste løsningen.

Akkurat hvorfor dette fungerer er et puslespill. Frazier og co antar at de kortere kjedene fungerer som ledd mellom de lengste og største polymerene i løsning. Så vidt vi vet, har bevis for denne oppførselen ikke blitt rapportert i litteraturen, og er overlatt til fremtidige studier fokusert på ekstensjonsreologi, sier de.

Forskningen kaster også litt lys over de atmosfæriske forholdene som er best egnet til å lage gigantiske bobler. En nøkkelfaktor er levetiden til såpefilmen: filmer med lengre levetid tillater større bobler.

Polymertilsetningene øker levetiden, men ingen er sikre på hvorfor. En mulighet er at de gjør filmene tykkere. En annen er at polymerene hindrer vann i å renne fra filmen og dermed forlenger dens levetid.

Frazier og co har fått litt innsikt i denne gåten. De sier at en nøkkelfaktor for å styrke filmen er konsentrasjonen av polymer i den, og dette øker når vann fjernes. Men hvis for mye vann fjernes, blir filmen for tynn og går i stykker. Så det er en nøye balanse på jobben.

To faktorer kan fjerne vann. Den første er tyngdekraften, som drenerer vann fra såpefilmen. Den andre er fordampning, som er betydelig på grunn av filmens enorme overflate.

Frazier og co sier at å øke fuktigheten i eksperimentene deres også øker boblenes levetid. Dette tyder på at fordampning må minimeres for å forhindre at filmen blir for tynn. Det er ikke rart at mange bobleentusiaster foretrekker varme, fuktige sommerdager for å lage de største boblene, sier de.

Det er interessant arbeid som kaster nytt lys på fysikken til tynne filmer. Den avslører også en tidligere ukjent effekt i måten polymerer av forskjellig lengde samhandler for å øke styrken til en film. Det er en effekt som må studeres mer detaljert.

Det er også arbeid som Gary Pearlman kan finne nyttig hvis han skulle prøve å slå verdensrekorden i fremtiden.

Ref: arxiv.org/abs/1908.00537 : Hvordan lage en gigantisk boble

gjemme seg