[科普中國]-道理我都懂……但肥皂泡怎么才能吹更大？

太長不看版 1. 吹大泡泡的關(guān)鍵在于肥皂液；

2. 肥皂液中除了水和洗潔精等基本原料，還要添加聚合物；

3. 聚合物可以提高肥皂液的拉伸黏度，并改善泡泡的壽命；

4. 科學(xué)家推薦的吹大泡泡神秘配方在文章結(jié)尾。

小朋友，你是否有很多問號(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？

……

在眾多童年迷思中，今天我們試圖來解答其中一個(gè)： 肥皂泡怎么吹得大？

誰不喜歡吹泡泡呢？

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，也有越來越多的人開始吹起了肥皂泡。

（法國畫家夏爾丹名畫《肥皂泡》 | commons.wikimedia.org）

現(xiàn)如今，世界上的肥皂泡愛好者們眾多，他們甚至組成了一個(gè)全球性的組織—— 國際泡泡藝術(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，長度和一輛汽車相當(dāng)” 。

于是，賈斯汀決定自己造個(gè)大泡泡。

巨大泡泡背后的奧秘

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，他使用兩根魚竿綁著繩子，沾滿肥皂液，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。

（目前記錄的最大的戶外肥皂泡 | drurawesome.com）

而大泡泡專用的肥皂液配方并不是什么奧秘，甚至有人把愛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20000的一般稱為聚環(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)離開棉線，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）的過程，測量了最終滴下之前的拉伸長度和破裂時(shí)間——無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。看來， “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，“聚合物纏結(jié)在一起時(shí)，就像一個(gè)毛線球，形成了一個(gè)不容易分開的長鏈，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)使原本很長的分子鏈會(huì)降解，產(chǎn)生不同長度分子鏈的混合物。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)并沒有明確的理論來解釋，賈斯汀也僅僅給出一種推測。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）

找到最佳肥皂液配方

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)間測量膜厚度的裝置。

令他們驚訝的是，加入聚合物后的膜并沒有顯著變厚，而 膜厚度更依賴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，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)的測量肥皂膜厚度的紅外線放大裝置（Frazier，2020））

關(guān)于膜壽命的問題則稍顯復(fù)雜。

首先，他們發(fā)現(xiàn)加入過聚合物的膜壽命確實(shí)更長，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，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。

（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，他們再一次驗(yàn)證了網(wǎng)友的智慧—— 肥皂泡愛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。看似簡單的肥皂泡又給我們帶來了新的物理問題。

他說，“與所有基礎(chǔ)研究一樣，你必須遵循自己直覺和內(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)肥皂泡開始！

巨型泡泡配方

（賈斯汀提供）

· 1公升水

· 50毫升黎明專業(yè)洗滌劑（超過三大湯匙，可在線購買）

· 2-3克瓜耳粉（約1/2茶匙）

· 50毫升外用酒精（比三大湯匙多一點(diǎn)）

· 2克發(fā)酵粉（約1/2茶匙）

先將瓜爾豆粉和酒精混合，攪拌到?jīng)]有結(jié)塊。然后將酒精/瓜爾豆液與水混合，輕輕攪拌10分鐘。靜置一會(huì)兒使瓜耳豆水合，然后再次混合。水應(yīng)該稍微變稠，就像稀湯或未凝固的明膠。加入發(fā)酵粉攪拌。加入黎明專業(yè)清潔劑，輕輕攪拌，避免產(chǎn)生泡沫。肥皂液這就配好了！

將一根帶繩的魔杖浸入液體中，直到完全浸沒，然后慢慢地拉出。慢慢揮動(dòng)你的魔杖，或者向它吹氣。享受巨大泡泡帶來的快樂吧！

作者名片

作者：下雪

編輯：圓的方塊

排版：雷穎

題圖來源：waynesthisandthat.com

參考資料：

[1]https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/largest-free-floating-soap-bubble

[2]Frazier S, Jiang X, Burton J, et al. How to make a giant bubble[J]. 2020, Phys. Rev. Fluids 5, 013304

[3]https://soapbubble.fandom.com/wiki/Soap_Bubble_Wiki

[4]http://www.recordholders.org/en/list/soapbubbles.html

[5]https://arstechnica.com/science/2020/02/physicists-determine-the-optimal-soap-recipe-for-blowing-gigantic-bubbles/

[6]https://www.technologyreview.com/2019/08/24/102697/the-chemistry-behind-how-you-make-a-record-breaking-giant-soap-bubble/

[7]https://news.emory.edu/features/2020/01/physics-of-bubbles/index.html