Een studie geïnspireerd door straatartiesten die gigantische zeepbellen maakten, leidde tot een ontdekking in de vloeistofmechanica:het mengen van verschillende moleculaire groottes van polymeren in een oplossing verhoogt het vermogen van een dunne film om uit te rekken zonder te breken.

Het journaal Fysieke beoordeling Vloeistoffen publiceerde de resultaten van het onderzoek door natuurkundigen van Emory University. De bevindingen kunnen mogelijk leiden tot verbetering van processen zoals de oliestroom door industriële leidingen en het verwijderen van vervuilend schuim in beken en rivieren.

De resultaten hebben ook implicaties voor liefhebbers van bellenblazen in de achtertuin.

"Deze studie brengt absoluut het plezier in fundamentele wetenschap, " zegt Justin Burton, universitair hoofddocent natuurkunde aan Emory University en senior auteur van het artikel.

Vloeistofdynamica is een van de aandachtspunten van Burton's lab. "De processen van vloeistofdynamica zijn visueel mooi en ze zijn overal op onze planeet, van de vorming en het uiteenvallen van druppeltjes en bellen tot de aerodynamica van vliegtuigen en het omverwerpen van de oceanen in de diepzee, " hij zegt.

Terwijl Burton een paar jaar geleden in Barcelona was voor een conferentie, hij zag toevallig straatartiesten enorme bellen maken met een zeepoplossing en dik katoenen touw. "Deze bellen waren ongeveer de diameter van een hoelahoep en wel een autolengte lang, " herinnert hij zich. "Ze waren ook mooi, met kleurveranderingen van rood naar groen tot blauwachtige tinten op hun oppervlak."

Dit regenboogeffect laat zien dat de dikte van een film vergelijkbaar is met de golflengte van licht, of slechts een paar micron, hij legt uit.

Het bekijken van de uitvoering leidde tot een natuurkundige vraag in Burton's geest:hoe kon zo'n microscopisch dunne film zijn integriteit behouden over zo'n grote afstand zonder te breken? Hij begon te onderzoeken, zowel in zijn achtertuin als in zijn lab.

Toen Burton bubbelrecepten onderzocht, kwam hij de Soap Bubble Wiki tegen, een online, open source-project. De wiki stelt dat het bedoeld is om "bubbels" te helpen "de perfecte bubbel" te creëren door feiten en folklore met betrekking tot recepten en ingrediënten voor het maken van zeepbellen te scheiden.

Naast water en afwasmiddel, de Soap Bubble Wiki-recepten bevatten meestal een polymeer - een stof die bestaat uit lange ketens van zich herhalende moleculen. De meest voorkomende polymeren in de recepten waren natuurlijke guar, een poeder dat als additief in sommige voedingsmiddelen wordt gebruikt, of industriële polyethyleenglycol (PEO), een glijmiddel dat in sommige medicijnen wordt gebruikt. Geleid door de wiki-aanbevelingen, Burton voerde laboratoriumexperimenten uit samen met twee student-co-auteurs die inmiddels zijn afgestudeerd:Stephen Frazier, die in mei een master natuurkunde behaalde en eerste auteur is, en niet-gegradueerde Xinyi Jiang.

"We zijn eigenlijk begonnen met het maken van bubbels en ze te laten knallen, en registreerde de snelheid en dynamiek van dat proces, " zegt Burton. "Als je je op de meest gewelddadige momenten op een vloeistof concentreert, kun je veel vertellen over de onderliggende fysica."

Zeepfilms absorberen infrarood licht, dus schenen de onderzoekers het door de bellen om de dikte van de films te meten. Ze maten ook de molecuulgewichten van de verschillende polymeren die ze in de bellenrecepten gebruikten. En ze lieten de zwaartekracht druppeltjes van de verschillende zeepfilms van een mondstuk trekken, om te meten hoe lang de resulterende vloeistofdraad zou kunnen uitrekken tussen het mondstuk en de druppel voordat deze breekt.

De resultaten toonden aan dat polymeren het belangrijkste ingrediënt waren voor het maken van kolossale bellen. De lange, vezelachtige strengen van polymeren zorgen ervoor dat de bellen soepel kunnen stromen en verder rekken zonder te knappen.

"De polymeerstrengen raken verstrikt, zoiets als een haarbal, langere strengen vormen die niet uit elkaar willen vallen, " legt Burton uit. "In de juiste combinatie, een polymeer zorgt ervoor dat een zeepfilm een ​​'sweet spot' bereikt die stroperig maar ook rekbaar is - alleen niet zo rekbaar dat het uit elkaar scheurt."

Het werk bevestigt wat veel deskundige 'bubbelaars' al hadden bedacht:een goed recept voor gigantische zeepbellen zou een polymeer moeten bevatten.

"We hebben de fysica gedaan om uit te leggen waarom en hoe polymeren een vloeibare film tot 100 vierkante meter kunnen laten uitrekken zonder te breken, ' zegt Burton.

De natuurkundigen ontdekten ook dat het variëren van de molecuulgrootte van de polymeren de zeepfilm helpt versterken. Die ontdekking gebeurde per ongeluk.

De onderzoekers werkten meer dan een jaar aan het project en sloegen enkele containers met PEO die ze hadden gekocht, op. Ze realiseerden zich dat PEO uit containers die ongeveer zes maanden oud waren, sterkere zeepbellenfilms produceerden in vergelijking met PEO uit containers die werden gebruikt toen het voor het eerst werd gekocht. Bij onderzoek, ze realiseerden zich dat de polymeren in de verouderde PEO in de loop van de tijd waren afgebroken, het variëren van de lengte van de moleculaire strengen.

"Polymeren van verschillende groottes raken nog meer verstrengeld dan polymeren van één grootte, versterking van de elasticiteit van de film, " zegt Burton. "Dat is een fundamentele ontdekking in de natuurkunde."

Begrijpen hoe vloeistoffen en dunne films reageren op stress, Burton zegt, kan leiden tot een scala aan toepassingen, zoals het verbeteren van de stroom van industriële materialen door leidingen, of het opruimen van giftig schuim.

"Zoals bij elk fundamenteel onderzoek, je moet je instinct en hart volgen, Burton zegt over zijn zeepbel-odyssee. "Soms barst je zeepbel, maar in dit geval we hebben iets interessants ontdekt."