Dvi meškerės ir Gineso rekordas: mokslininkai aiškinasi kaip sukurti rekordiškai didelius muilo burbulus (Video)

2015 metų liepos 20 dieną, Gary Pearlman ir nedidelė entuziastų grupelė susirinko Clevela miesto parke (Ohio valstija), bandyti pagerinti pasaulio rekordą. Tikslas: sukurti didžiausią pasaulyje laisvai skraidantį muilo burbulą.

Pearlmano įranga buvo pora meškerių su tarp jų ištiestu valu. Jis pamerkė valą į specialų vandens, muilo ir polimerinių priedų mišinį ir iškėlė į viršų. Taip kildamas iš tirpalo, jis suformavo ploną plėvelę. Pearlmanui pamojavus meškerėmis, judėdamas oras plėvelę ištempė ir suformavo milžinišką burbulą.

Tuo pat metu nepriklausomi stebėtojai įvairiais rakursais fotografavo burbulą, kad galėtų apskaičiuoti jo tūrį. Jis buvo 96,27 m³ — didžiausias kada nors išmatuotas. Tą dieną Pearlmanas užėmė vietą Guinnesso rekordų knygoje.

Mokslinių pasiekimų panteone gigantiškų muilo burbulų kūrimas, deja, nėra itin aukštai vertinamas. Tačiau dėl to jie ne menkiau paslaptingi ir sužavėjo Stephen Frazier su kolegomis iš Emory universiteto Atlantoje.

Jie pažymi, kad burbulai sudaryti iš gležnos, vos kelių mikrometrų storio plėvelės, o rekordinio Pearlmano giganto paviršiaus plotas turėjo būti didesnis, nei 100 m². Pakaktų vienos mažutėlės skylutės ir burbulas sprogtų. „Kaip tokios didelės plėvelės susiformuoja ir kaip jos išlieka stabilios?” klausia Frazieris ir kolegos.

Dabar komanda kai kuriuos atsakymus pateikė. Jie tyrė muilo burbulų plėvelių savybes ir kaip jos kinta, pridedant įvairių polimerų. Šie rezultatai pateikia unikalias įžvalgas į burbulų formavimąsi ir pasaulio rekordų siekimui palankiausias oro sąlygas.

Iš pradžių šiek tiek konteksto. Burbulų entuziastai seniai diskutuoja, kokie mišiniai geriausi šiai meno formai. „Besidomintiems gigantiškais muilo burbulais, Soap Bubble Wiki gali pasiūlyti daug empirinės informacijos  ir optimalių burbulų pūtimo sprendimų,” sako Frazieris su kolegomis.

Sutariama, kad geriausiuose burbulų mišiniuose naudojamas vanduo, indų ploviklis (mėgstamiausias – Dawn Pro), ir polimerų mišinys, kurio ilgos molekulės sutirština skystį. Mėgiamiausi polimerai yra odos kremuose dažnai naudojamas polietileno oksidas (dar vadinamas  polietilenglikoliu), ir guaro guma, plačiai paplitęs maisto tirštiklis, išgautas iš guaro pupelių.

Polimerai – svarbu. Soap Bubble Wiki teigiama, kad be jų išpūsti gigantiškų burbulų praktiškai neįmanoma. Bet ką jie atlieka konkrečiai, nelabai suprantama. „Tikslus polimerų vaidmuo yra šiek tiek paslaptingas,” rašoma wiki.

Frazieris su kolegomis ir tyrė polimerų suteikiamas savybes burbulų mišiniams. „Nustatėme kai kuriuos fizikinius mechanizmus, kuriais paremti gigantiški burbulai,” sako tyrėjai.

Jų metodas paprastas – iš vandens, Dawn Pro, ir įvairių koncentracijų guaro gumos ar polietileno oksido jie kūrė mišinius ir tyrė jų savybes dviem skirtingais būdais.

Iš pradžių jie atliko lašėjimo testą, kuriame pipete formuojamas lašelis ir didelio greičio kamera stebima, kada jis nukris. Konkrečiai, jie tyrė, kaip lašelio kritimo momentu tarp jo ir pipetės susiformuoja gija.

Jie taip pat kūrė plonas plėveles, naudodami skystyje pamerktus siūlus. Infraraudonuoju jutikliu jie matavo plėvelės storį, jo pokytį prieš plėvelės sutrūkimą ir polimerų įtaką jos atsparumui.

Rezultatus skaityti įdomu. Atspariausius burbulus pavyksta kurti, naudojant polimerus, kurių lašelių gijos nenutrūksta. Galima būtų manyti, kad geriausia pridėti polimerų su ilgesnėmis grandinėmis ir didinti koncentraciją.

Bet Frazieris su kolegomis teigia, kad remiantis rezultatais, toks būdas netinkamas. „Atspariausi burbulų sprendimai tie, kuriuose naudojama vidutinė koncentracija ir įvairių molekulių ilgio polimerų mišiniai. Naudojant juos, į netrūkstančią plėvelę gali būti ištempti dideli skysčio tūriai,” sako jie.

Jie tai pademonstravo, panaudodami polietileno oksidą, kuris tyčia pusmečiui buvo paliktas saulės atokaitoje. Saulės šviesa dalį molekulių suskaidė į trumpesnes grandines ir taip susidarė įvairių ilgių mišinys. Naudojant tokį polimerą, buvo gaunami atspariausi tirpalai.

Tiksli priežastis, kodėl taip, tebelieka paslaptimi. Frazieris su kolegomis kelia hipotezę, kad trumpesnės grandys veikia ilgiausių ir didžiausių tirpalo polimerų jungtys. „Kiek žinome, literatūroje toks fenomenas nėra aprašytas, ir paliekamas būsimiems nuodugnesniems reologijos tyrimams.”

Šis tyrimas taip pat šiek tiek nušviečia ir geriausiai gigantiškų muilo burbulų pūtimui tinkamas atmosferos sąlygas. Pagrindinis faktorius yra muilo plėvelės ilgaamžiškumas: ilgiau išsilaikančiomis plėvelėmis galima apgobti didesnius burbulus.

Polimerai šį ilgaamžiškumą pailgina, bet užtikrintai nežino, kodėl. Gal dėl to, kad jie plėvelę pastorina. Ar gal jie kliudo iš plėvelės pasišalinti vandeniui ir taip pratęsia jos gyvavimą.

Frazieriui su kolegomis pavyko šį klausimą šiek tiek pasiaiškinti. Jie sako, kad pagrindinis plėvelės stiprinimo faktorius yra polimero koncentracija, ir jai didėjant, stiprumas irgi auga. Tačiau pašalinus pernelyg daug vandens, plėvelė tampa per plona ir trūksta. Tad, reikia laikytis atsargaus balanso.

Vandenį pašalinti gali du faktoriai. Pirmasis – vandenį iš plėvelės traukianti gravitacija. Antrasis yra garavimas, kurio reikšmė labai didelė, nes ir plėvelės paviršiaus plotas milžiniškas.

Frazierio komandos teigimu, drėgmės padidinimas eksperimentuose  padidino ir burbulų gyvenimo trukmę. Tai rodo, kad norint sulėtinti burbulų plėvelės plonėjimą, reikia minimizuoti garavimą. „Nieko keisto, kad daugelis burbulų entuziastų didžiausius burbulus išpučia šiltomis, drėgnomis vasaros dienomis,” sako jie.

Tai įdomus darbas, pateikiantis naujų įžvalgų į plonų plėvelių fiziką. Jame taip pat atskleidžiami anksčiau nežinoti plėvelės stiprumą padidinantys skirtingo ilgio polimerų tarpusavio įtakos efektai. Šį efektą dar reikia patyrinėti atidžiau.

Šis darbas gali praversti ir Gary Pearlmanui, jei nuspręstų pagerinti savo pasaulio rekordą.

Tyrimo nuoroda: arxiv.org/abs/1908.00537