خلق الفيزيائيون “فقاعات أبدية”

لا يفشل نفخ فقاعات الصابون أبدًا في إسعاد الطفل الداخلي ، ربما لأنها عابرة بطبيعتها وتنفجر بعد بضع دقائق فقط. الآن ، تمكن الفيزيائيون الفرنسيون من تكوين “فقاعات أبدية” من جزيئات البلاستيك والجلسرين والماء ، وفقًا لـ ورقة جديدة نشرت في مجلة Physical Review Fluids. استمرت أطول فقاعة بنوها 465 يومًا.

لطالما فتنت الفقاعات الفيزيائيين. على سبيل المثال ، علماء الفيزياء الفرنسيون في عام 2016 توضيح نموذج نظري للآلية الدقيقة التي تتكون بواسطتها فقاعات الصابون عندما تصطدم نفثات من الهواء بغشاء صابوني. وجد الباحثون أن الفقاعات تتشكل فقط فوق سرعة معينة ، والتي بدورها تعتمد على عرض نفاث الهواء.

في 2018 ، أبلغنا حول كيفية قيام علماء الرياضيات في مختبر الرياضيات التطبيقية بجامعة نيويورك بتنقيح طريقة نفخ الفقاعة المثالية بناءً على سلسلة من التجارب على الأفلام الرقيقة والصابون. استنتج علماء الرياضيات أنه من الأفضل استخدام عصا دائرية محيطها 1.5 بوصة (3.8 سم) والنفخ برفق بسرعة ثابتة 2.7 بوصة في الثانية (6.9 سم / ثانية). انفخ بسرعات أعلى وسوف تنفجر الفقاعة. إذا كنت تستخدم عصا أصغر أو أكبر ، فسيحدث نفس الشيء.

وفي عام 2020 ، لقد قرر الفيزيائيون أن أحد المكونات الرئيسية لإنشاء فقاعات عملاقة هو خلط البوليمرات ذات أطوال خيوط مختلفة. الذي ينتج فيلم صابون قادر على تمتد بما فيه الكفاية اصنع فقاعة عملاقة دون أن تنكسر. تتشابك خيوط البوليمر معًا ، مثل كرة من الشعر ، وتشكل خيوطًا أطول لا تريد أن تتفكك. في التركيبة الصحيحة ، يسمح البوليمر لفيلم الصابون بالوصول إلى “البقعة الحلوة” التي تكون لزجة ولكنها قابلة للتمدد أيضًا ، ولكنها ليست قابلة للتمدد لدرجة أنها تمزق. أدى تغيير طول خيوط البوليمر إلى فيلم صابون أقوى.

يهتم العلماء أيضًا بإطالة عمر الفقاعات. تأخذ الفقاعات بشكل طبيعي شكل كرة: حجم من الهواء محاط بجلد سائل رقيق للغاية يعزل كل فقاعة من الرغوة عن جيرانها. تدين الفقاعات بأسلوبها الهندسي إلى ظاهرة التوتر السطحي ، وهي قوة ناتجة عن التجاذب الجزيئي. كلما كبرت مساحة السطح ، زادت الطاقة اللازمة للحفاظ على شكل معين ، ولهذا السبب تسعى الفقاعات إلى اتخاذ الشكل مع أصغر مساحة سطح: كرة.

ومع ذلك ، فإن معظم الفقاعات تنفجر في غضون دقائق في جو عادي. بمرور الوقت ، تعمل قوة الجاذبية على تصريف السائل تدريجيًا إلى أسفل ، وفي نفس الوقت يتبخر المكون السائل ببطء. مع انخفاض كمية السائل ، تصبح “جدران” الفقاعات رفيعة جدًا وتتحد الفقاعات الصغيرة في الرغوة لتكوين فقاعات أكبر. الجمع بين هذين التأثيرين يسمى “التكبير”. إضافة نوع من الفاعل بالسطح يمنع التوتر السطحي من انهيار الفقاعات عن طريق تقوية الجدران الرقيقة للفيلم السائل بينها. لكن في النهاية يحدث الأمر المحتوم دائمًا.

في عام 2017 ، الفيزيائيون الفرنسيون وجدت ذلك يمكن لغطاء كروي مصنوع من كريات بلاستيكية دقيقة تخزين الغاز المضغوط في حجم صغير. أطلق الفيزيائيون على الكائنات اسم “كرات الغاز”. ترتبط الأشياء بما يسمى بالخرز السائل – قطرات من السائل مغطاة بحبيبات مجهرية طاردة للسائل ، والتي يمكن أن تتدحرج على سطح صلب دون أن تنكسر. في حين أن الخواص الميكانيكية لخرز الغاز كانت موضوع العديد من الدراسات ، لم يقم أحد بإجراء تجارب لاستكشاف طول عمر الخرزات.

لذلك قرر إيمريك رو من جامعة ليل والعديد من الزملاء ملء هذه الفجوة. لقد جربوا ثلاثة أنواع مختلفة من الفقاعات: فقاعات الصابون القياسية ، وحبيبات الغاز القائمة على الماء ، وحبيبات الغاز القائمة على الجلسرين المائي. لصنع كرات الغاز الخاصة بهم ، رو وآخرون. نشر جزيئات البلاستيك على سطح حمام مائي ، والتي التصقت معًا لتشكل طوفًا محببًا. ثم قام الباحثون بحقن بعض الهواء بحقنة أسفل الطوافة مباشرة لتشكيل فقاعات واستخدموا ملعقة لدفع الفقاعات على الطوافة حتى يتم تغطية سطح كل فقاعة بالكامل بجزيئات من البلاستيك.

ظهرت فقاعات الصابون القياسية في حوالي دقيقة كما هو متوقع. لكن أحمر وآخرون. وجد أن طلاء الجزيئات البلاستيكية يبطل بشكل كبير عملية تصريف كرات الغاز القائمة على الماء ، والتي انهارت ما بين ست إلى 60 دقيقة. لإطالة العمر إلى أبعد من ذلك ، احتاج الباحثون أيضًا إلى تحييد التبخر.

لذلك أضافوا الجلسرين إلى الماء. وفقًا للمؤلفين ، يحتوي الجلسرين على تركيز عالٍ من مجموعات الهيدروكسيل ، والتي بدورها لها صلة قوية بجزيئات الماء ، مما يؤدي إلى تكوين روابط هيدروجينية قوية. وبالتالي ، فإن الجلسرين أكثر قدرة على امتصاص الماء من الهواء ، وبالتالي تعويض التبخر. استمرت حبات غاز الماء / الجلسرين لفترة أطول: من خمسة أسابيع إلى 465 يومًا ، مما سمح للباحثين بتحديد أفضل نسبة ماء إلى الجلسرين – الوصفة المثالية لخرز الغاز طويل العمر.

يمتد عمل الباحثين إلى ما وراء الفقاعات. كما تمكنوا أيضًا من صنع أغشية سائلة مركبة قوية وتشكيلها في أجسام مختلفة عن طريق غمس إطار معدني تحت سطح سائل مغطى بطبقة من جزيئات البلاستيك العالقة. التقط الإطار أفلامًا مغطاة بالجسيمات حيث ارتفعت ببطء إلى السطح. على وجه الخصوص ، رو وآخرون. كانوا قادرين على بناء هرم ثلاثي الأبعاد من فيلم سائل مائي / جلسرين. استمر الهرم لأكثر من 378 يومًا (والعدد في ازدياد).

DOI: سوائل الفحص الفيزيائي ، 2022. 10.1103 / PhysRevFluids.7.L011601 (حول DOIs).

صورة الإعلان بواسطة A. Roux et al ، 2022