Kleine Seifenblasen verbergen große Geheimnisse

Seifenblasen machen ist ein kleines Spiel, das wir oft gespielt haben, als wir jung waren. Mischen Sie eine bestimmte Menge Waschmittel mit klarem Wasser, rühren Sie gleichmäßig um, tauchen Sie einen Plastikring hinein und blasen Sie vorsichtig. Die Blasen fliegen mit der Frühlingsbrise umher und leuchten im Sonnenschein bunt.

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Es klingt einfach, aber haben Sie sich schon einmal gefragt: Warum kann man aus klarem Wasser keine Blasen machen? Warum erscheint Seifenwasser klar, aber die Blasen erscheinen in der Sonne bunt? Tatsächlich verbirgt sich unter den winzigen Bläschen eine Menge wissenschaftliches Wissen. Heute wollen wir uns den Blasen nähern und ihre Geheimnisse erforschen.

Teil 1

Die Entstehung von Blasen: Was ist Oberflächenspannung?

Das Geheimrezept für das Sprudelwasser, das wir üblicherweise verwenden, ist eigentlich ganz einfach. Lösen Sie Seife oder Waschmittel einfach in heißem Wasser auf. Warum können wir dann aus normalem Wasser keine Seifenblasen machen, aus dem Seifenwasser, das wir herstellen, aber schon? Dies beginnt mit dem Prinzip der Blasenbildung.

Zunächst müssen wir ein physikalisches Konzept verstehen: die Oberflächenspannung.

Ich frage mich, ob Ihnen dieses Phänomen schon einmal aufgefallen ist: Wenn Regentropfen auf Lotusblätter fallen, verwandeln sie sich in rollende, runde Wassertropfen und einige kleine Tiere können sich frei auf der Wasseroberfläche bewegen. Sie basieren auf der Oberflächenspannung des Wassers.

Wassertropfen auf Lotusblättern

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wasserwanzen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die Oberfläche einer Flüssigkeit neigt dazu, automatisch zu schrumpfen. Die treibende Kraft für diese automatische Kontraktion kommt von den unterschiedlichen Gravitationsfeldern, die auf die Moleküle im Inneren und auf der Oberfläche der Flüssigkeit wirken. Für die Moleküle an der Oberfläche der Flüssigkeit ist die Gravitationskraft der inneren Flüssigkeitsmoleküle größer als die Zugkraft der äußeren Luftmoleküle. Wenn die Schwerkraft ignoriert werden kann, neigt die Flüssigkeit daher dazu, in ihrer Fläche zu schrumpfen und immer dazu, eine Kugelform anzunehmen. Auf makroskopischer Ebene wird diese Kraft als Oberflächenspannung der Flüssigkeit bezeichnet.

Oberflächenspannungsmodell

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

An dieser Stelle haben manche Leute vielleicht eine neue Frage: Die Oberflächenspannung führt dazu, dass die Flüssigkeitsoberfläche tendenziell schrumpft. Warum gibt es dann immer noch Seifenblasen? Gute Frage, in der Tat. Da die Oberflächenspannung jedoch keine Luft im Wasser zulässt, können wir dann nicht große Blasen bilden, wenn wir einen Weg finden, die Oberflächenspannung zu verringern?

Bevor wir erklären, wie man die Oberflächenspannung verringert, wollen wir uns zunächst noch einmal mit Seife und Waschmittel vertraut machen, die auch als „Tenside“ bezeichnet werden. Tenside sind eine Klasse von Substanzen, die sich leicht an Grenzflächen anlagern und einen erheblichen Einfluss auf die Grenzflächeneigenschaften und die damit verbundenen Prozessabläufe haben.

Historisch betrachtet stammen Tenside aus Waschmitteln. Die einfachste Seifenformel hat eine jahrtausendealte Geschichte. Der antike römische Schriftsteller Plinius war einer der ersten, der diese Formel niederschrieb. Er stellte fest, dass Seife durch die Mischung von Öl und Alkali hergestellt wird und dass aus in Wasser aufgelöster Asche Alkali entsteht.

Seifenmolekül: Natriumfettsäure

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Die heute verwendeten Basen werden alle künstlich synthetisiert, die hergestellten Seifenmoleküle ähneln jedoch denen der Vergangenheit und bestehen aus einer hydrophilen Kopfgruppe und einer lipophilen Schwanzgruppe. Aufgrund der Abstoßung zwischen der lipophilen Gruppe und den Wassermolekülen ordnen sich die Tensidmoleküle, um die Existenzform mit der niedrigsten Energie zu erreichen, zunächst auf der Oberfläche der wässrigen Lösung an, wobei die hydrophile Gruppe nach unten zeigt (in Kontakt mit den Wassermolekülen) und die lipophile Gruppe nach oben zeigt (in Kontakt mit den Luftmolekülen). Nur wenn auf der Flüssigkeitsoberfläche kein Platz mehr für neue Tensidmoleküle vorhanden ist, wandern die neu hinzugekommenen Tensidmoleküle in das Innere der Lösung.

Die hydrophile Gruppe wird von den Wassermolekülen nach unten gezogen, aber da die Polarität der hydrophilen Gruppe schwächer ist als die der Wassermoleküle, ist diese Anziehung schwächer als die Anziehung zwischen Wassermolekülen. Die lipophile Gruppe wird von den Luftmolekülen nach oben gezogen, kann aber aufgrund ihres relativ großen Volumens mit mehr Luftmolekülen in Kontakt kommen und die schwächere Polarität ermöglicht es der lipophilen Gruppe auch, besser mit den Luftmolekülen zu verschmelzen und sie anzuziehen. Diese Anziehung ist stärker als die Anziehung zwischen Luftmolekülen und Wassermolekülen.

Im Allgemeinen schwächt sich die nach unten gerichtete Gravitationskraft ab und die nach oben gerichtete Gravitationskraft nimmt zu. Das Kräfteungleichgewicht von Tensidmolekülen ist schwächer als das von Wassermolekülen. Daher ist die Oberfläche der wässrigen Lösung mit angeordneten Tensidmolekülen offensichtlich schwächer als die Oberfläche, die nur aus Wassermolekülen besteht. Makroskopisch betrachtet verringert sich die Oberflächenspannung. Und deshalb kann Seifenwasser Blasen bilden.

Seifenblasen-Oberflächenkraftmodell

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Teil 2

Blasenfarben: Woher kommen die Farben?

Wenn wir in der Sonne Seifenblasen machen, werden wir feststellen, dass die Farben der Seifenblasen so dynamisch und farbenfroh sind wie Wasser. Tatsächlich sind Seifenblasen farblos. Der Grund, warum sie in der Sonne bunt erscheinen, liegt darin, dass das Sonnenlicht auf der Ober- und Unterseite der transparenten Folie reflektiert wird und sich gegenseitig stört.

„Reflexionen“ und „Einmischungen“ sind im Leben keine Seltenheit. Aufgrund der Lichtreflexion können wir uns im Spiegel sehen. Unter Reflexion versteht man das Phänomen, dass Licht bei der Ausbreitung durch unterschiedliche Stoffe an der Grenzfläche seine Ausbreitungsrichtung ändert und zum ursprünglichen Stoff zurückkehrt. Licht wird reflektiert, wenn es auf Wasser, Glas und viele andere Oberflächen trifft. Der Seifenfilm ist ein transparenter Film mit zwei Oberflächen, einer Ober- und einer Unterseite. Wenn Sonnenlicht auf die Oberfläche des Seifenfilms scheint, wird es von der Ober- bzw. Unterseite des Films reflektiert.

Untersuchungen von Physikern haben gezeigt, dass Licht starke Welleneigenschaften hat, genau wie Wasserwellen in einem Teich. Wenn Sie einen Stein in einen Teich werfen, treffen die Wellen aufeinander und überlagern sich, wodurch wunderschöne Muster entstehen. Bei genauer Beobachtung werden wir feststellen, dass die Vibrationen an manchen Stellen der Wasserwellen stärker werden, während die Vibrationen an anderen Stellen schwächer werden. Als Interferenz bezeichnen wir in der Physik das Phänomen, bei dem sich zwei oder mehr Wellen überlagern oder gegenseitig aufheben und eine neue Wellenform bilden, wenn sie im Raum aufeinandertreffen.

Konstruktive Interferenz

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Destruktive Interferenz

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Wenn Lichtstrahlen gleicher Frequenz aufeinandertreffen, kommt es wie bei Wasserwellen zu gegenseitigen Interferenzen. Es ist erwähnenswert, dass ein Film einer bestimmten Dicke nur bei Licht einer bestimmten Wellenlänge eine stabile konstruktive Interferenz oder destruktive Interferenz hervorrufen kann. Ersteres bezieht sich auf die Spitzen (oder Täler) der beiden Wellen, die gleichzeitig an der gleichen Stelle ankommen, und die Interferenzwelle erzeugt die größte Amplitude. Letzteres besteht darin, dass sich die Spitzen und Täler der beiden Wellen treffen, wodurch die Amplitude der Störwelle verringert wird. Die Amplitude der Lichtwelle spiegelt die Intensität des Lichts wider und vermittelt dem menschlichen Auge ein Gefühl für die Helligkeit oder Dunkelheit des Objekts.

Interferenzprinzipmodell

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Da die Dicke des Seifenfilms an verschiedenen Stellen nicht gleichmäßig ist, wird das Sonnenlicht gemäß der Theorie der konstruktiven und destruktiven Interferenz auf den Filmoberflächen unterschiedlicher Dicke verstärkt, abgeschwächt oder aufgehoben und die Farbe nimmt Rot, Blau oder Grün an, wodurch die Seifenblasen bunt erscheinen.

Teil 3

Inspiration durch Blasen: Warum entstehen so viele Studien daraus?

Heutzutage gibt es auf der Welt viele Seifenblasen-Enthusiasten. Sie haben eine globale Organisation wie die „International Bubble Artists Association“ gegründet, die sich der Erforschung des Geheimrezepts von Seifenwasser zum Pusten größerer Seifenblasen widmet. Sie aktualisieren sogar ständig den Guinness-Weltrekord für die größte Seifenblase und reagieren damit auf Kindheitsträume und die Sehnsucht nach großen Seifenblasen.

Winzige Seifenblasen verbergen die Geheimnisse der Natur. Physiker verwenden sie, um die Oberflächenspannung zu untersuchen, Mathematiker verwenden sie, um minimale Oberflächen zu untersuchen, Biologen verwenden sie, um die biochemischen Mechanismen dünner Filme in Organismen zu untersuchen und Mechaniker verwenden sie, um die Inflationsstruktur dünner Filme zu untersuchen ... Seifenblasen haben im Bereich der wissenschaftlichen Forschung große Erfolge erzielt und Wissenschaftlern viele Inspirationen gegeben.

So entdeckte beispielsweise der deutsche Wissenschaftler Prandtl Anfang des 20. Jahrhunderts bei Untersuchungen zur Torsion elastischer Zylinder, dass die Gleichung, die die Spannungsfunktion im Zylinder erfüllt, mit der Gleichung übereinstimmt, die der Film unter seinem eigenen Gewicht erfüllt. und vor nicht allzu langer Zeit verwendete Hamid Kelly, ein Experte für Strömungsmechanik an der Universität Bordeaux in Frankreich, Seifenblasen als ideales Modell zur Untersuchung atmosphärischer Phänomene und stellte seine eigene Vermutung über das universelle Gesetz der Zyklonentwicklung auf; sogar ein Artikel über den verzweigten Lichtfluss auf der Grundlage von Seifenblasen, „Observation of branched flow of light“, wurde auf dem Cover von Nature veröffentlicht. All dies beweist uns, dass Seifenblasen noch viele Geheimnisse bergen, die es zu erforschen lohnt.

Der berühmte britische Physiker Kelvin sagte: „Pusten Sie eine Seifenblase und beobachten Sie sie. Sie werden Ihr ganzes Leben damit verbringen, sie zu studieren und daraus eine Physikstunde nach der anderen zu lernen.“ Die Wunder und der Spaß der Natur sind es wert, dass wir sie ein Leben lang erkunden.

Quellen:

[1] Catherine Nixey. Dinge in der Blase[J]. Die romantische Generation, 2021(29):48-49.

[2] Lin Bian, Luke. Von der Leere zur Praxis: Kleine Seifenblasen: Ein lebenslanges Studium wert[J]. Weltausstellung, 2021(19):72-73.

Produziert von: Science Popularization China

Produziert im Mai

Autoreinheit: Changchun Institut für Optik, Präzisionsmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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