小朋友，你是否有很多問(wèn)號(hào)？
紙飛機(jī)怎么飛的遠(yuǎn)？葫蘆娃爺爺叫啥名？灰太狼什么時(shí)候能抓到羊？
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在眾多童年迷思中，今天我們?cè)噲D來(lái)解答其中一個(gè)：肥皂泡怎么吹得大？
公元前2900年，古巴比倫人發(fā)明了肥皂。有理由相信這里很可能也誕生了第一個(gè)吹肥皂泡的人。
隨后的千年時(shí)光，肥皂在世界范圍內(nèi)逐漸流行，也有越來(lái)越多的人開(kāi)始吹起了肥皂泡。
法國(guó)畫(huà)家夏爾丹名畫(huà)《肥皂泡》 | commons.wikimedia.org
現(xiàn)如今，世界上的肥皂泡愛(ài)好者們眾多，他們甚至組成了一個(gè)全球性的組織——國(guó)際泡泡藝術(shù)家協(xié)會(huì)。
科技在發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，但是如何吹出一個(gè)大泡泡，卻仍是困擾無(wú)數(shù)人的童年迷思。
賈斯汀·伯頓（Justin C. Burton）同樣有這樣的迷思。作為美國(guó)埃默里大學(xué)的物理學(xué)副教授，他一直好奇，那些街頭藝術(shù)家們如何把泡泡吹成“直徑有呼啦圈大小，長(zhǎng)度和一輛汽車(chē)相當(dāng)”。
于是，賈斯汀決定自己造個(gè)大泡泡。
目前，世界上最大的室外自由漂浮肥皂泡是由泡泡大師U.R.Awesome博士創(chuàng)造。在2015年，他使用兩根魚(yú)竿綁著繩子，沾滿(mǎn)肥皂液，創(chuàng)造了一個(gè)96.27立方米的超級(jí)大泡泡，體積接近一輛卡車(chē)。
目前記錄的最大的戶(hù)外肥皂泡 | drurawesome.com
而大泡泡專(zhuān)用的肥皂液配方并不是什么奧秘，甚至有人把愛(ài)好者們公布的配方搜集在一起，做成了肥皂泡維基（Soap Bubble Wiki）。
在眾多肥皂泡配方中，除了水和洗滌劑這些常見(jiàn)的原料，還往往包含一些聚合物。比如，在肥皂泡維基中最常出現(xiàn)的天然瓜爾膠或聚環(huán)氧乙烷（PEO），前者是一種常用的食品增稠劑，后者是工業(yè)上常用的增稠劑和潤(rùn)滑油。
賈斯汀敏銳地意識(shí)到，制造巨大泡泡的關(guān)鍵就在于聚合物。
聚乙二醇的分子式，分子量超過(guò)20000的一般稱(chēng)為聚環(huán)氧乙烷（PEO）
賈斯汀和他的團(tuán)隊(duì)在水與洗潔精（起到肥皂的作用）的混合溶液中，分別加入不同濃度的瓜爾膠溶液和PEO溶液（J-Lube潤(rùn)滑液，PEO含量為25%），研究它們?nèi)绾斡绊懥朔试砼莸拇笮 ?/p>
首先，他們測(cè)試了不同濃度溶液的剪切黏度，這一指標(biāo)最能反映肥皂液這類(lèi)液體流動(dòng)性的強(qiáng)弱。
當(dāng)加入PEO后，剪切黏度并未發(fā)生太大變化；而加入瓜爾膠后，剪切黏度隨著濃度升高而增大，甚至可達(dá)到PEO溶液的10倍。兩種溶液的如此巨大的差異，但又都能吹出大泡泡，說(shuō)明了肥皂液的剪切黏度并不是主要因素。
在形成肥皂泡時(shí)，肥皂液會(huì)離開(kāi)棉線(xiàn)，并逐漸拉伸。因此，賈斯汀將目光轉(zhuǎn)向流體另一個(gè)重要參數(shù)——拉伸黏度，這能體現(xiàn)拉伸狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。
賈斯汀使用高速攝像機(jī)拍下了液滴下落（拉伸）的過(guò)程，測(cè)量了最終滴下之前的拉伸長(zhǎng)度和破裂時(shí)間——無(wú)論是加入瓜爾膠還是PEO，都會(huì)對(duì)流體的拉伸性能產(chǎn)生顯著影響?？磥?lái)，“拉伸黏度”才是這些聚合物分子發(fā)揮作用的關(guān)鍵。
不同PEO分子量和濃度下拉伸的長(zhǎng)度（Frazier，2020）
而且在實(shí)驗(yàn)中，賈斯汀發(fā)現(xiàn)聚合物的添加并不是濃度越高越好，而是需要在一個(gè)合適的濃度范圍，才能最大程度改善肥皂液的拉伸黏度。他解釋說(shuō)，“聚合物纏結(jié)在一起時(shí)，就像一個(gè)毛線(xiàn)球，形成了一個(gè)不容易分開(kāi)的長(zhǎng)鏈，只要在最合適的濃度下，它們能使肥皂膜達(dá)到一個(gè)既有黏性又有彈性的最佳點(diǎn)。”
此外，研究者們發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)友的一個(gè)建議：聚合物靜置一段時(shí)間再使用，效果會(huì)更好。賈斯汀意識(shí)到瓜爾膠和PEO這些高分子聚合物靜置后，會(huì)使原本很長(zhǎng)的分子鏈會(huì)降解，產(chǎn)生不同長(zhǎng)度分子鏈的混合物。于是，賈斯汀配置了不同分子量的PEO溶液。通過(guò)混合兩種不同分子量的溶液（相當(dāng)于模擬了靜置后的溶液），發(fā)現(xiàn)確實(shí)比單一溶液的效果好。
為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？暫時(shí)并沒(méi)有明確的理論來(lái)解釋?zhuān)Z斯汀也僅僅給出一種推測(cè)。在溶液中，聚合物的瞬間纏結(jié)會(huì)導(dǎo)致流體拉伸黏度變化，而多種分子量混合的聚合物會(huì)與表面活性劑分子產(chǎn)生更豐富的相互作用。
賈斯?。ㄗ螅┖退膶W(xué)生在埃默里大學(xué)的草坪上進(jìn)行實(shí)驗(yàn) | arstechica.com
在實(shí)際制造一個(gè)巨大泡泡的時(shí)候，肥皂膜會(huì)受到重力作用、蒸發(fā)以及環(huán)境因素的影響，它們必須要具有足夠的厚度，并能持續(xù)存在一定時(shí)間。
為了尋找制造巨大泡泡的最佳方案，賈斯汀團(tuán)隊(duì)還想揭示什么影響著肥皂膜壽命和厚度。為此，他們還自行設(shè)計(jì)了一個(gè)可以根據(jù)時(shí)間測(cè)量膜厚度的裝置。
令他們驚訝的是，加入聚合物后的膜并沒(méi)有顯著變厚，而膜厚度更依賴(lài)于所選擇的表面活性劑，也就是所用的肥皂或洗潔精的性質(zhì)。
也就是說(shuō)，一款合適的洗潔精，是吹出厚泡泡的基礎(chǔ)。
賈斯汀團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的測(cè)量肥皂膜厚度的紅外線(xiàn)放大裝置（Frazier，2020）
關(guān)于膜壽命的問(wèn)題則稍顯復(fù)雜。
首先，他們發(fā)現(xiàn)加入過(guò)聚合物的膜壽命確實(shí)更長(zhǎng)，而且在最優(yōu)的濃度范圍內(nèi)，加入瓜爾膠的要比加入PEO的膜壽命長(zhǎng)的多。因此，他們認(rèn)為瓜爾膠可以勝出成為最佳原料。
其次，聚合物分子量和濃度決定了膜壽命的長(zhǎng)短。與之前的實(shí)驗(yàn)相似，并非分子量和濃度越高，膜壽命就越長(zhǎng)，而是有一個(gè)適合的濃度范圍，在這一范圍內(nèi)，可以近似地看作：濃度越高，壽命越長(zhǎng)。
圖中紅色條為最佳溶液濃度范圍，橫坐標(biāo)為濃度，縱坐標(biāo)為膜壽命 （Frazier，2020）
此外，他們?cè)僖淮悟?yàn)證了網(wǎng)友的智慧——肥皂泡愛(ài)好者們喜歡在涼爽潮濕的天氣時(shí)發(fā)揮自己的創(chuàng)意。炎熱的天氣會(huì)增加液體蒸發(fā)速率，他們就測(cè)試了相對(duì)濕度下的肥皂膜壽命，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)濕度在75%以上，就會(huì)顯著增加膜壽命，在相對(duì)濕度90%的情況下，膜可以存在250秒以上。
這樣一項(xiàng)從娛樂(lè)活動(dòng)啟發(fā)，得到網(wǎng)友經(jīng)驗(yàn)幫助的研究，最終發(fā)表在了流體物理學(xué)刊物Physics Review Fluids上。
賈斯汀在論文中表示，更專(zhuān)業(yè)的流變學(xué)實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬可能會(huì)有助于闡明兩種聚合物協(xié)同作用的原理。看似簡(jiǎn)單的肥皂泡又給我們帶來(lái)了新的物理問(wèn)題。
他說(shuō)，“與所有基礎(chǔ)研究一樣，你必須遵循自己直覺(jué)和內(nèi)心，有時(shí)肥皂泡會(huì)破裂，但就在這時(shí)我們發(fā)現(xiàn)了有趣的東西。”
或許，新發(fā)現(xiàn)就從吹一個(gè)肥皂泡開(kāi)始！
巨型泡泡配方
（賈斯汀提供）
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