每個人都喜歡吹氣泡，無關(guān)年齡，且泡泡越大越好。但想要吹出能夠打破世界紀錄的巨大氣泡，卻需要非常嚴格的泡泡液。
近日，物理學(xué)家在《流體物理評論》（Physical Review Fluids）雜志上發(fā)表的一篇新論文中指出，一種由不同鏈長聚合物混合而成的關(guān)鍵成分可以產(chǎn)生一種肥皂膜，這種肥皂膜可以拉伸到足夠薄，從而形成一個巨大且不破裂的氣泡。
這篇文章提到使用肥皂、水和長鏈聚合物的混合物，可以形成體積接近 100 立方米的自由漂浮的肥皂泡。
物理學(xué)家 Justin Burton (左)和研究生 Stephen Frazier 在埃默里大學(xué)的院子里用巨大的肥皂泡做實驗（來源：Burton Lab/Emory University）
一項嚴肅的科學(xué)
肥皂泡可能看起來極其普通而且簡單，但其背后的物理學(xué)原理卻很復(fù)雜，因此相關(guān)研究一直以來都是一項嚴肅的科學(xué)。
在 19 世紀，比利時物理學(xué)家 Joseph Plateau 概述了決定肥皂膜結(jié)構(gòu)的表面張力的四個基本定律。表面張力決定了氣泡為什么是圓的，體積一定時，這種形狀的表面積最小，因此它需要的能量也最少。隨著時間的推移，當重力將液體向下拉時，這個形狀看起來更像一個足球，而非一個完美的球體。
之后，氣泡和泡沫都是一個活躍的研究領(lǐng)域。2016 年，法國物理學(xué)家建立了一個理論模型，解釋了為什么空氣噴射到肥皂表面上會形成肥皂泡的確切機制。
他們發(fā)現(xiàn)只有氣流速度高于一定的值，才會形成肥皂泡，這反過來也取決于氣流的寬度。如果氣流較寬，形成肥皂泡的速度閾值將較低，而且這些肥皂泡要比窄氣流中產(chǎn)生的肥皂泡更大，而窄氣流中形成肥皂泡的速度閾值則較大。
2018 年，《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表了一篇論文，紐約大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)實驗室（Applied Math Lab）的數(shù)學(xué)家們在類似肥皂薄膜實驗的基礎(chǔ)上，進一步微調(diào)了能夠吹出完美肥皂泡的配方。
他們得出的結(jié)論是：最好使用周長為 1.5 英寸的圓形吹泡棒，以 6.9 厘米/秒的平穩(wěn)速度輕輕吹氣。如果吹得太快、使用更小或更大直徑的吹泡棒，氣泡都會較快破裂。
如何吹出更大的氣泡？
這篇最新論文的作者之一、埃默里大學(xué)（Emory University）流體動力學(xué)專業(yè)的物理學(xué)家 Justin C. Burton，首次對這個話題產(chǎn)生興趣，是在巴塞羅那的一次會議上。
當時他看到街頭表演者制造的巨大氣泡有呼啦圈那么大，有一輛車那么長。他對氣泡表面變幻的彩虹顏色特別感興趣，這種效果是由于光線在薄膜的兩個表面反射時產(chǎn)生的干涉圖樣。對 Burton 來說，這表明肥皂的厚度只有幾微米，近似于光的波長。
他很驚訝地發(fā)現(xiàn)，當肥皂薄膜被拉伸成一個巨大的氣泡時，竟然還能保持完整。于是，他開始在實驗室和自家后院進行自己的實驗。
當 Burton 仔細閱讀開放訪問的肥皂泡維基百科時，他注意到大多數(shù)常用的肥皂泡溶液配方都含有一種聚合物——通常是天然的瓜爾膠（一種常見的增稠食品添加劑）或一種醫(yī)用潤滑劑（聚乙二醇）。
他表示，“以這些配方為指導(dǎo)，我們開始制造氣泡并使它們爆裂，然后記錄下這個過程的速度和對應(yīng)的動力學(xué)，在流動最劇烈的時刻關(guān)注它，以了解它的許多基本物理特性。”
研究人員的最終目標是確定一個產(chǎn)生巨大氣泡的氣泡混合物完美比例，這個巨大氣泡有一點拉伸，流體流動一點點，但不要太多。
實驗人員研究了表面活性劑和聚合物溶液的特性，這些溶液通常用于制造表面積接近 100 平方米、厚度幾微米的巨大氣泡。制造這些氣泡最重要的添加劑是親水的高分子聚合物，如瓜爾膠和聚乙烯氧化物（PEO）。
研究發(fā)現(xiàn)，這些稀釋的聚合物溶液的拉伸流變學(xué)是制備薄膜的最重要因素，雖然 PEO 表面活性較弱，但對氣-水界面有吸收作用?？紤]到用于巨大氣泡的聚合物濃度范圍與體積拉伸性能非常一致，研究者認為表面粘彈性效應(yīng)在大氣泡的形成中起著次要的作用。
正如 Lissie Connors 在《物理熱點》（Physics Buzz）上寫道：在他們的實驗中，研究人員制造了各種水、肥皂和長鏈聚合物的混合物來制造氣泡。不幸的是，吹100立方米的泡泡對實驗室空間的利用率很差，很難準確測量，所以泡泡棒是用棉線制作的，厚度是用紅外線測量的。除了測量厚度外，他們還跟蹤每一層薄膜的壽命。
不同氣泡溶液的薄膜壽命與濃度的關(guān)系（來源：Physical Review Fluids）
最終，Burton 和他的團隊得出結(jié)論，聚合鏈是產(chǎn)生巨大氣泡的關(guān)鍵，證實了網(wǎng)上的集體智慧。Burton 說:“聚合物鏈纏繞在一起，就像一個發(fā)絲球，形成較長的鏈，而不會斷裂。在正確的組合下，一種聚合物可以讓肥皂膜達到一個‘最佳狀態(tài)’，這個狀態(tài)是粘性的，但也有一定的彈性?！?/span>
研究小組還發(fā)現(xiàn)，改變聚合物鏈的長度可以得到更堅固的肥皂膜。不同尺寸的聚合物比單一尺寸的聚合物更容易鏈結(jié)在一起，增強了薄膜的彈性。這也是一個基礎(chǔ)性的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)。
巨型氣泡配方
以下是Burton的巨型氣泡配方，但與Burton的實驗室環(huán)境不同，有些條件在現(xiàn)實世界中是無法控制的，比如濕度水平。
成分：
1L 水；
50mL Dawn 專業(yè)清潔劑（略多于 3 湯匙）；
2-3g 瓜爾豆粉（一種食品增稠劑）（約 1/2 茶匙）；
50mL 外用酒精（略多于 3 湯匙）；
2g 泡打粉（約半茶匙）。
使用說明書：
將瓜爾豆粉和酒精混合，攪拌直到?jīng)]有結(jié)塊；
將酒精、瓜爾豆粉與水混合，輕輕攪拌 10 分鐘，讓瓜爾豆水合物靜置一會兒，然后再次攪拌，水應(yīng)該稍微濃一點，像稀湯或湯；
加入泡打粉攪拌；
加入 Dawn 專業(yè)清潔劑，輕輕攪拌，避免產(chǎn)生泡沫；
將一根帶纖維線的大泡泡棒浸入混合物中，直到完全浸沒，然后慢慢地拉出纖維線，慢慢揮動泡泡棒或吹它，以產(chǎn)生巨大的肥皂泡。
文章來源：
Physical ReviewFluids, 2020. 10.1103/PhysRev Fluids.5.013304.
文章題目：How to make a giant bubble
摘要：Using mixtures of soap, water, and long chain polymers,free-flfloating soap bubbles can be formed with volumes approaching 100 m3 .Here we investigate how such thin fifilms are created and main tained overtime. We show how the extensional rheology is the mostimportant factor in creating the bubble, and how polydispersity in molecularweight of the solvated polymers leads to better perfor mance at lowerconcentrations. Additionally, using IR absorption, we measure soap fifilmthickness profifiles and fifilm lifetimes. Although the initial thicknessmostly depends on the choice of detergent, polymers can dramatically increasefifilm lifetime at high molecular weights and high concentrations, althoughsuch high concentrations can inhibit the initial fifilm formation. Thus, theideal concentra tion of polymer additives for making giant bubbles requires arobust viscoelastic rheology during extension, and is aided by long fifilmlifetimes during gravitational drainage and evaporation.
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