De chemie achter hoe je een recordbrekende gigantische zeepbel maakt

Een bubbel;e Pexels

Op 20 juli 2015 verzamelden Gary Pearlman en een kleine groep enthousiastelingen zich in een park in Cleveland, Ohio, voor een wereldrecordpoging. Het doel: de grootste vrij zwevende zeepbel in de geschiedenis creëren.

Pearlman's uitrusting bestond uit een paar hengels met een touwtje ertussen. Hij doopte de snaar in een speciaal mengsel van water, zeep en polymeeradditieven en hief hem in de lucht. Dit tilde de oplossing op en creëerde een dunne laag zeepachtige film. Terwijl Pearlman met de staven zwaaide, rekte de luchtbeweging de zeepachtige film uit en breidde deze uit, waardoor een gigantische bel werd gevormd.

Tegelijkertijd fotografeerden onafhankelijke waarnemers de bel vanuit verschillende hoeken, zodat ze het volume konden berekenen. Het bleek 96,27 kubieke meter (3.399,74 kubieke voet) te zijn - de grootste ooit gemeten. Die dag nam Pearlman terecht zijn plaats in het Guinness Book of Records in

In het pantheon van wetenschappelijke prestaties wordt het creëren van gigantische zeepbellen helaas ondergewaardeerd. En toch vormt het een reeks puzzels die Stephen Frazier en collega's van de Emory University in Atlanta hebben gefascineerd.

Ze wijzen erop dat een luchtbel is gemaakt van een fragiele film van slechts enkele micrometers dik, en toch moet de recordbrekende reus van Pearlman een oppervlakte van meer dan 100 vierkante meter hebben gehad. Een enkel gaatje kan de bel doen barsten. Hoe ontstaan ​​zulke grote films en hoe blijven ze stabiel? vraag Frazier en co.

Vandaag geeft het team enkele antwoorden. Deze jongens hebben de eigenschappen van zeepfilms bestudeerd en hoe ze veranderen wanneer verschillende soorten polymeren worden toegevoegd. De resultaten geven een uniek inzicht in de wetenschap van bellenvorming en de atmosferische omstandigheden die het gunstigst zijn voor wereldrecordpogingen.

Eerst wat achtergrond. Liefhebbers van bellen hebben lang gediscussieerd over de beste mengsels voor hun kunst. Voor degenen die geïnteresseerd zijn in het maken van gigantische bubbels, de Zeepbel Wiki bevat een schat aan empirische informatie en recepten voor optimale bubbeloplossingen, zeggen Frazier en co.

De consensus is dat de beste bubbelmengsels water bevatten, een wasmiddel in de vorm van afwasmiddel (Dawn Pro lijkt de favoriet te zijn), en een mix van polymeren, lange ketenachtige moleculen die de viscositeit van de vloeistof verhogen. De favoriete polymeren zijn polyethyleenoxide (ook wel polyethyleenglycol genoemd), vaak gebruikt in huidcrèmes, en guargom, een veelgebruikt voedselverdikkingsmiddel dat wordt gewonnen uit guarbonen.

Polymeren zijn belangrijk. De Soap Bubble Wiki stelt dat het bijna onmogelijk is om gigantische bellen te maken zonder. Maar wat ze precies doen, wordt slecht begrepen. De precieze rol die polymeren spelen is een beetje een mysterie, zegt de wiki.

Voer Frazier en co in, die enkele van de eigenschappen bestuderen die polymeren geven aan bellenmengsels. We identificeren enkele van de onderliggende fysieke mechanismen die aanleiding geven tot gigantische bellen, zeggen ze.

Hun methode is eenvoudig. Ze creëren een reeks mengsels gemaakt van water, Dawn Pro en verschillende concentraties van guargom of polyethyleenoxide. En ze bestuderen de eigenschappen van deze vloeistoffen op twee verschillende manieren.

Ze doen eerst een druppeltest waarbij zich een druppel vormt en vervolgens uit een pipet valt. Ze filmen dit proces met een hogesnelheidscamera. Ze bestuderen met name hoe, op het moment dat een druppel valt, zich een draad vormt tussen de druppel en de pipet.

Ze maken ook een vel film met behulp van een touwtje dat in de vloeistof is gedompeld. Met een infraroodsensor meten ze de dikte van deze film, hoe deze verandert voordat de plaat barst en hoe polymeren deze levensduur kunnen verlengen.

De resultaten zorgen voor interessante lectuur. De meest robuuste oplossingen voor het maken van bellen zijn die waarmee de verbindingsdraad continu kan worden getrokken zonder te breken. het is gemakkelijk voor te stellen dat het toevoegen van polymeren met langere ketens in steeds toenemende concentraties de beste manier is om dit te doen.

Maar Frazier en co zeggen dat de resultaten dit niet ondersteunen. De meest robuuste oplossingen voor het maken van bellen hebben gemiddelde concentraties en een mengsel van polymeren met verschillende molecuulgewichten, waardoor een grote hoeveelheid vloeistof continu in een film kan worden getrokken zonder te breken, zeggen ze.

Ze laten dit zien door polyethyleenoxide toe te voegen dat gedurende zes maanden opzettelijk in zonlicht is afgebroken. Daarbij zou het zonlicht de moleculen hebben afgebroken tot kortere ketens, waardoor een mengsel van verschillende lengtes ontstond. Dit blijkt de meest robuuste oplossing te creëren.

Waarom dit precies werkt, is een raadsel. Frazier en co veronderstellen dat de kortere ketens fungeren als schakels tussen de langste en grootste polymeren in oplossing. Voor zover wij weten, is er geen bewijs voor dit gedrag in de literatuur vermeld en wordt het overgelaten aan toekomstige studies gericht op extensionele reologie, zeggen ze.

Het onderzoek werpt ook enig licht op de atmosferische omstandigheden die het meest geschikt zijn om gigantische bellen te maken. Een belangrijke factor is de levensduur van de zeepachtige film: films met een langere levensduur laten grotere bellen toe.

De polymeeradditieven verhogen de levensduur, maar niemand weet precies waarom. Een mogelijkheid is dat ze de films dikker maken. Een andere is dat de polymeren voorkomen dat water uit de film wegloopt en zo de levensduur verlengen.

Frazier en co hebben enig inzicht gekregen in dit raadsel. Ze zeggen dat een sleutelfactor bij het versterken van de film de concentratie van polymeer erin is, en dit neemt toe naarmate het water wordt verwijderd. Als er echter te veel water wordt verwijderd, wordt de film te dun en breekt. Er is dus een zorgvuldige balans op het werk.

Twee factoren kunnen water verwijderen. De eerste is de zwaartekracht, die water uit de zeepachtige film afvoert. De tweede is verdamping, wat belangrijk is vanwege het enorme oppervlak van de film.

Frazier en co zeggen dat het verhogen van de luchtvochtigheid in hun experimenten ook de levensduur van de bellen verlengt. Dit suggereert dat verdamping tot een minimum moet worden beperkt om te voorkomen dat de film te dun wordt. Geen wonder dat veel bubbelenthousiastelingen de voorkeur geven aan warme, vochtige zomerdagen om de grootste bubbels te maken, zeggen ze.

Dat is interessant werk dat nieuw licht werpt op de fysica van dunne films. Het onthult ook een voorheen onbekend effect in de manier waarop polymeren van verschillende lengtes op elkaar inwerken om de sterkte van een film te vergroten. Dat is een effect dat nader onderzocht moet worden.

Het is ook werk dat Gary Pearlman nuttig zou kunnen vinden, mocht hij in de toekomst zijn wereldrecord proberen te verbeteren.

Referentie: arxiv.org/abs/1908.00537 : Hoe maak je een gigantische bel

zich verstoppen