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为什么用洗洁精配成的泡泡水吹不出很多泡泡?

来源:中科院物理所 浏览 389 次 发布时间:2021-11-08

吹泡泡是大家最熟悉不过的童年游戏了。沾上一些泡泡水,轻轻吹一口气,一串串五彩斑斓的泡泡在阳光下随风飘散。泡泡水用光了后,爸妈又不愿意买一瓶新的,怎么办?小脑袋灵光一闪,倒一点洗洁精或者洗衣粉又或者洗发露,兑水配成一瓶“泡泡水”。可是这瓶“泡泡水”怎么吹都吹不出买的泡泡水那么多的泡泡了。这是为什么呢?


今天小编就来给大家解答这个童年迷思,顺便给大家一份配制泡泡水的秘籍。


神奇的表面张力


提到泡泡就不得不说一下表面张力这个概念,两种不同物态的物质之间界面上的张力被称为表面张力[1]。从分子力的层面来理解,表面张力是由物质内部的吸引力导致的。拿液体来说,液体内部分子之间的吸引力一般比气体中分子之间或气体与液体之间的分子之间的吸引力要大,使得液体收缩,表面好似紧绷的一层膜。从能量的角度来理解,表面的分子具有较高的分子势能,为了达到低能量的稳定状态,就需要减少表面分子的暴露,减小液体的表面积。要注意的是,它虽然有个名字中带个“力”,但实际上它的单位是N/m或J/m2。


纯水的表面张力为72.75N/m,乙醇的表面张力为22.55N/m,所以酒精的表面张力是要比纯水小的。减少纯水的表面张力还可以往里面加入表面活性剂。所谓表面活性剂,就是能使溶液表面张力显著下降的物质,表面活性剂一般为具有亲水基团(“头”)与疏水基团(“尾”)的有机两性分子。而溶于水中的无机盐则能增大表面张力。

十二烷基硫酸钠(看起来像毛毛虫),表面活性剂的一种,被广泛用于洗衣粉中|来源:Wikipedia


生活中的许多现象都和表面张力有关,比如水黾的轻功水上漂,一分的硬币浮在水面上,《三体》的曲率飞船的原理(误入)。

水黾轻功水上漂,破了它的轻功很简单,加点表面活性剂|来源:Wikipedia

在小船的尾部滴加洗涤剂,小船尾部的表面张力小,前方的表面张力大,从而将小船向前“拉”了过去


说了这么多,表面张力和泡泡到底有什么关系呢?纯水的表面张力比较大,不能形成稳定的泡泡,因为泡泡的产生会增大气液间的表面积,使得表面自由能增大,这是热力学不稳定的。加入表面活性剂后,表面活性剂的亲水基团插入水相,疏水基团竖在空气中,这样降低了表面张力,让泡泡能稳定存在一段时间。从下面这张图中可以看出,泡泡膜是三明治结构,两侧是表面活性剂,中间夹着一层水,这一三明治结构对后面泡泡水的配方至关重要。

泡泡的结构


薄膜干涉


吹泡泡的时候,小朋友们最迷恋的就是它彩虹般的颜色,五彩斑斓,像被施了魔法一样。泡泡的颜色其实是一个很常见的光学现象——薄膜干涉。


所谓薄膜干涉,就是一束光照射于薄膜,由于折射率不同,光会被薄膜的上界面与下界面分别反射,因相互干涉而形成新的光,这现象称为薄膜干涉[2]。新的光是上下界面反射光的叠加,两个界面的反射光可能干涉相长(强度增加)或干涉相消(强度减小),这取决于它们的相位关系。

干涉相消(图中没把半波损失画出来)|来源:Wikipedia

干涉相长(图中没把半波损失画出来)|来源:Wikipedia


从上面图中以看出,两个界面的反射光的相位关系不仅与入射光波的波长(颜色)有关,与薄膜的厚度也有关。光程差为半波长的偶数倍是干涉相消,光程差为半波长的奇数倍时干涉相长(有半波损失)。所以,我们也就可以通过看泡泡的颜色来估计它的膜厚。

泡泡膜颜色与厚度的关系|来源:physics.stackexchange.com

泡泡膜颜色与厚度的关系|来源:soapbubble.dk


相信大家都有经验,如果泡泡颜色变成了黄昏时天空的那种金色,就说明泡泡快要破了。那么泡泡变薄的原因是什么呢,一是在重力作用下泡泡水会向下流动,二是泡泡的比表面积巨大,蒸发剧烈,使得泡泡很快变薄。


大泡泡配方


有了上面那些知识,现在就来解答“为什么用洗洁精配成的泡泡水吹不出很多泡泡”这个童年迷思。


不知大家发现没有,自制的泡泡水吹出来的泡泡颜色没有那么鲜艳,甚至有点发灰,一下子就破了。根据上面泡泡颜色和膜厚的关系,就很好理解:自制泡泡水吹出来的泡泡的膜很薄,很容易破。那怎样才能让泡泡膜变厚,并且维持比较长的时间呢?


和大家一样,有很多人也对这件事儿好奇,所以就有个在线的Wiki[3],专门分享泡泡水的配方和将泡泡吹大、吹多的方法。

确实,泡泡水的配方可不是洗洁精加水那么简单(那时的小脑袋想尽办法也不过是加大洗洁精的浓度,或者是换一种洗涤剂)。一般来说,有以下成分:去离子水、表面活性剂、甘油、聚合物、pH调节剂。


下面小编来给大家一一解释这些成分的作用。


水是作为溶剂的,这大家都知道,但为什么要强调用去离子水?生活在水质比较硬的地方小可爱就知道,用肥皂洗澡的时候,会发现肥皂水上面有一层浮渣。这些浮渣大部分其实不是人体的污垢,而是硬水中的钙镁离子和肥皂中的硬脂酸钠生成了溶解度更小的硬脂酸钙和硬脂酸镁,浮在了水面上。所以,为了让表面活性剂发挥最好的性能,最好用去离子水。

在配方中当然少不了表面活性剂了,常见的有很多,洗洁精、洗手液、洗衣液等等都可以。至于甘油,其实没有什么特别的作用,主要是因为下面要用到的粘结剂不太溶于水,需要甘油来帮助它们溶解。


至于泡泡水中需要添加聚合物,很多人就可能就不知道了。它不仅能让泡泡膜变厚,还能让泡泡延展开来后更不容易破裂。还记得前面说到了泡泡膜的三明治结构吗?聚合物也有减缓泡泡膜水分蒸发的作用,让泡泡维持更长的时间。常见的聚合物添加剂有聚环氧乙烷(PEO)、瓜尔豆胶、聚乙烯醇(PVA,胶水中的就是它)等。

聚环氧乙烷PEO|来源:Wikipedia

瓜尔豆胶|来源:Wikipedia


说到泡泡水中的聚合物,就不得不说一下美国埃默里大学的贾斯汀·伯顿(Justin Burton)副教授。他在巴塞罗那开会的时候看见街头艺人表演吹出了巨大的泡泡,不由得想知道巨大的泡泡为什么能维持那么大的表面积而不至于破裂[4]。于是他回到家研究泡泡的配方,并发现了Soap Bubble Wiki这个网站(就是参考资料[3]的那个网站)。经过实验,他发现聚合物对大泡泡的产生起了至关重要的作用。于是他就指导自己的研究生在实验室吹泡泡玩,研究聚合物究竟为何能让大泡泡不易破裂。然后就在Physical Review Fluids上发了一篇论文(见参考资料[5]),并且他的研究生还凭这个工作硕士毕业了(这也可以???)。


言归正传,配方中的pH调节剂主要是泡打粉、柠檬酸等。其实不用这些pH调节剂就可以获得很好的泡泡水了,但是一些人发现加了pH调节剂后可以让泡泡更容易闭合,并且延长泡泡的寿命。


Soap Bubble Wiki给初学者提供了一个入门配方,请大家备好小马扎:1kg去离子水,40~65g洗洁精、1.5g瓜尔豆胶,2g泡打粉,适量甘油或酒精[6]。除了配方,吹大泡泡的工具也很重要,下面这种自制的工具能吸取尽可能多的泡泡水,吹出大泡泡。还专门有个网站收集大泡泡的世界纪录(见参考资料[7])。

吹大泡泡工具示意图|来源:Soap Bubble Wiki

吹大泡泡工具成品|来源:Soap Bubble Wiki


有谁童年的时候不想吹个大泡泡呢?但是,当知道怎么吹大泡泡的时候,小时候无忧无虑的日子也像那五彩斑斓的泡泡一样随风飘散了,真让人怀念。

来源:Soap Bubble Wiki

来源:Soap Bubble Wiki


参考资料


[1]表面张力


[2]薄膜干涉


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


[4]https://phys.org/news/2020-01-physics-giant-secret-fluid-mechanics.html


[5]Frazier S,Jiang X,Burton J C.How to make a giant bubble[J].Physical Review Fluids,2020,5(1):013304.


[6]https://soapbubble.fandom.com/wiki/Recipes_Guar


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