Фізика
Фізика

Фізики надули бульбашку з гліцерину і мікрочастинок. Та не луснула за рік

Французькі дослідники взялися проєктувати повітряні бульбашки з води, гліцерину і мікрочастинок поліаміду, які б не лускали так, як звичайні. Створена ними бульбашка поборола ефекти випаровування рідини та гравітаційний вплив на неї, завдяки чому прожила 465 днів за стандартних атмосферних умов. Причому автори вважають, що вона протрималася б і довше, а луснути її змусили грибки і бактерії, які поселилися у сприятливих гліцеринових умовах. «Вічну» бульбашку вчені описали у Physical Review Fluids.

Бульбашка з води, гліцерину і мікрогранул поліаміду, яка протрималася 42 хвилини та луснула за 90 мілісекунд. Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Бульбашка з води, гліцерину і мікрогранул поліаміду, яка протрималася 42 хвилини та луснула за 90 мілісекунд. Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Чому бульбашки лускають?

Час життя мильних бульбашок ми визначаємо як час, за який бульбашка, якщо її не чіпати, стискується від свого початкового розміру до плівки — лускає. Це визначення універсальне незалежно від того, чим надувати бульбашку, якщо тільки ця речовина не вступатиме у хімічну реакцію з тим, з чого її надувати.

Зазвичай це лічені хвилини, якщо не секунди, за які ефекти випаровування, гравітації та просто вплив навколишнього середовища (наприклад, пил) руйнують оболонку і бульбашка лопається. Причому навіть якщо ви примудритеся створити ідеальні умови, тобто позбавитеся від пилу, вібрацій, наситите атмосферу парою, щоб рідина не випаровувалась, бульбашка все одно лусне в результаті дифузії повітря всередині неї у зовнішню атмосферу за рахунок надлишкового тиску Лапласа.

Але, втім, фізики щільно займаються цим питанням чи не століття, і ще у 1927 році шотландському хіміку Джеймсу Дьюару вдавалося видувати бульбашки діаметром від 40 до 50 сантиметрів, найвитриваліші з яких не лускали до 90 днів. У цій же роботі французькі вчені Емерік Ру (Aymeric Roux), Алексис Дюшен (Alexis Duchesne) та Мікаел Бодуан (Michael Baudoin) з Університету Лілля змогли спроєктувати бульбашку, яка прожила понад рік — 465 днів.

Порівняння трьох видів бульбашок, де на (а) звичайні мильні бульбашки, які лускають менш ніж за хвилину, на (b) бульбашка з мікрогранул поліаміду і води, а на (с) - з поліаміду, води і гліцерину. Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Порівняння трьох видів бульбашок, де на (а) звичайні мильні бульбашки, які лускають менш ніж за хвилину, на (b) бульбашка з мікрогранул поліаміду і води, а на (с) - з поліаміду, води і гліцерину. Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Як створити «вічну» бульбашку?

Підходів до створення бульбашок, які можуть довгий час не лускати, є декілька. Як ми вже вказали, можна усунути будь-який вплив зовнішніх чинників і ваша бульбашка з великою кількістю поверхнево-активних речовин (ПАР) проживе і всі два роки. Це завдяки тому, що ПАРи зменшують поверхневий натяг і здатні уповільнити відтік рідини до низу (вплив гравітації), який робить бульбашкову плівку тоншою. Але «вічні» бульбашки хотілося б надувати будь-де, а не лише у специфічних умовах.

Щоб подовжити життя бульбашкам за звичайних умов, їх можна зробити стійкішими до впливу механічних чинників. Наприклад, за допомогою монодисперсних нано- або мікрочастинок, які загалом діють подібно молекулам ПАР, адсорбуючись на поверхні бульбашки на межі розділу рідина-повітря. На цій межі вони змінюють властивості бульбашки.

Так, наприклад, гідрофобний порошок дає крапелькам рідини котитися твердими поверхнями, не розтрачаючи маси, а повітряним бульбашкам вдесятеро більше витривалості, щоб не лускати навіть за перепадів тиску. Це все можна використовувати у мікрорідинних системах чи розумних покриттях, для яких з'явиться можливість контролювати як-то рідину у краплі чи газ у бульбашці.

Руйнування бульбашок з поліаміду і води (а) та бульбашок з додаванням гліцерину, яких фізики проколювали голкою (b i c). Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Руйнування бульбашок з поліаміду і води (а) та бульбашок з додаванням гліцерину, яких фізики проколювали голкою (b i c). Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Бульбашки у цій роботі вчені виготовляли з суміші води з гліцерином та поліамідних гранул радіусом у 80 мікрометрів. Такий склад вони обрали з огляду на те, що попри вищу стійкість бульбашок до гравітаційного відтоку, завдяки мікрогранулам, вони все ще піддавалися випаровуванню, яке значно скорочує час їхнього життя. Гліцерин же здатний поглинати вологу із повітря і так протистояти випаровуванню, запобігаючи лусканню бульбашки понад рік.

Бульбашка з води і поліаміду, яка луснула через випаровування. Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Бульбашка з води і поліаміду, яка луснула через випаровування. Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Чому у фізиків вона все одно луснула?

Щоб виготовити бульбашку, яка протягне більше року, вчені змочують мікрогранули сумішшю води з гліцерином та «дмухають» під них повітрям зі шприца, утворюючи таким чином кульку радіусом приблизно у п'ять міліметрів. Її можна безпечно витягнути зі склянки з порошком і, наприклад, на гідрофобній підкладці спостерігати за ще принаймні 465 днів.

Фізики поекспериментували з різними такими бульбашками і дійшли висновку, що захист від випаровування гліцерин забезпечує за умови, коли його достатньо, щоб бульбашка набула стабільного рівноважного стану у процесах випаровування і набирання вологи. Це співвідношення гліцерину до води складає приблизно 0,85 — 0,9. Тобто незалежно від того, чи набирає бульбашка вологу з повітря, чи втрачає її, менша кількість гліцерину у підсумку призведе до лускання вже за 50 хвилин. Кількісно свої експерименти вчені перевірили моделюванням, яке тільки підтвердило їхні спостереження щодо масової частки гліцерину як фактора впливу на випаровування рідини з поверхні бульбашки.

Бульбашка з води, гліцерину і поліаміду лускала протягом 260 мілісекунд після того як її проштирхнули голкою. Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Бульбашка з води, гліцерину і поліаміду лускала протягом 260 мілісекунд після того як її проштирхнули голкою. Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2022

Так мікрогранули допомогли попередити відтік рідини під дією сили тяжіння і захистили бульбашку від тиску Лапласа та зовнішніх чинників, а гліцерин компенсував ефекти випаровування. За словами дослідників, вони ще прагнуть дослідити, як саме на стійкість бульбашки впливають параметри атмосфери та що відбувається з надлишковим тиском, адже якби він зникав, то і бульбашка втрачала би форму. А поки причиною лускання, імовірно, стало «життя», яке поселилося на бульбашці — протягом останнього місяця перед руйнуванням вона позеленіла, а оскільки вчені жодним чином не захистили бульбашку від грибків і мікробів, вони могли поселитися у сприятливих гліцеринових умовах.

Окрім бульбашок ми також розповідали, як фізики вчаться контролювати поведінку крапель з солі, води і олії. Наприклад, краплі олії навчили відрощувати хвостики, щоб ті плавали у воді та потім знову «перезаряджалися», а кристали солі змусили виростити собі «ніжки», щоб видалитися з поверхні і не забруднювати її.


Фото в анонсі: Aymeric Roux et. al / Phys. Rev. Fluids, 2021