물리학자들이 만든 ‘영원한 거품’

비눗방울을 불면 내면의 아이를 즐겁게 하는 데 실패하지 않습니다. 아마도 그 거품은 본질적으로 일시적이고 몇 분 만에 터지기 때문일 것입니다. 이제 프랑스 물리학자들은 플라스틱, 글리세롤 및 물 분자의 “영원한 거품”을 만드는 데 성공했습니다. 새 종이 Physical Review Fluids 저널에 게재됨. 그들이 만든 가장 긴 거품은 465일 동안 지속되었습니다.

거품은 항상 물리학자들을 매료시켰습니다. 예를 들어, 2016년 프랑스 물리학자 나는 연습했다 공기가 비누막에 부딪힐 때 비누방울이 어떻게 형성되는지에 대한 정확한 메커니즘에 대한 이론적 모델. 연구원들은 기포가 특정 속도 이상에서만 형성된다는 것을 발견했으며, 이는 차례로 공기 제트의 폭에 따라 다릅니다.

2018년, 우리에게 알려라 New York University의 Applied Mathematics Laboratory의 수학자들이 박막과 비누를 사용한 일련의 실험을 기반으로 이상적인 거품을 불어내는 방법을 미세 조정하는 방법에 대해 설명합니다. 수학자들은 둘레가 1.5인치(3.8cm)인 원형 막대를 사용하여 초당 2.7인치(6.9cm/초)의 속도로 부드럽게 불어주는 것이 가장 좋다고 결론지었습니다. 더 빠른 속도로 불면 거품이 터집니다. 더 작거나 더 큰 막대를 사용하는 경우에도 동일한 일이 발생합니다.

그리고 2020년, 물리학자들은 결정했다 거대한 기포를 만드는 핵심 구성 요소 중 하나는 다양한 가닥 길이의 폴리머를 혼합하는 것입니다. 할 수 있는 비누막을 생성합니다. 충분히 가늘게 스트레칭 깨지지 않고 거대한 거품을 만드는 것. 폴리머 가닥은 헤어볼처럼 엉켜서 풀고 싶지 않은 더 긴 가닥을 형성합니다. 올바른 조합으로 폴리머는 비누 필름이 끈적거리지만 신축성이 있는 “단점”에 도달하도록 합니다. 폴리머 필라멘트의 길이를 변경하면 보다 안정적인 비누막이 생성됩니다.

과학자들은 또한 거품의 수명을 연장하는 데 관심이 있습니다. 거품은 자연스럽게 공 모양을 취합니다. 거품의 각 거품을 이웃과 분리하는 매우 얇은 액체 스킨으로 덮인 공기의 양입니다. 기포의 기하학적 스타일은 분자 인력에서 발생하는 힘인 표면 장력 현상에 기인합니다. 표면적이 클수록 특정 모양을 유지하는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 기포는 표면적이 가장 작은 형태인 구를 취하려고 노력합니다.

그러나 대부분의 기포는 정상적인 대기에서 몇 분 안에 터집니다. 시간이 지남에 따라 중력으로 인해 액체가 점차 아래쪽으로 배출되고 동시에 액체 성분이 천천히 증발합니다. 액체의 양이 감소함에 따라 거품의 “벽”이 매우 얇아지고 거품의 작은 거품이 결합하여 더 큰 거품을 형성합니다. 이 두 효과의 조합을 “거칠기”라고 합니다. 일종의 계면 활성제를 첨가하면 거품을 분리하는 액체 박막의 벽을 강화하여 기포가 붕괴되는 표면 장력을 유지합니다. 그러나 결국 피할 수 없는 일이 항상 일어난다.

2017년 프랑스 물리학자 그것을 발견 미세 플라스틱 펠릿으로 만든 볼 캡은 압축 가스를 소량 저장할 수 있습니다. 물리학자들은 이 물체를 “가스 볼”이라고 불렀습니다. 물체는 소위 액체 구슬과 연관되어 있습니다. 즉, 미세한 액체 저항 입자로 코팅된 액체 방울이 깨지지 않고 단단한 표면 위로 굴러갈 수 있습니다. 가스 대리석의 기계적 특성은 많은 연구의 주제였지만 아무도 대리석의 수명을 탐구하기 위한 실험을 수행하지 않았습니다.

그래서 Lille 대학의 Emrick Rowe와 몇몇 동료들은 이 격차를 메우기로 결정했습니다. 그들은 세 가지 유형의 거품을 시도했습니다. 표준 비누 거품, 물로 만든 가스 구슬, 물과 글리세린으로 만든 가스 구슬입니다. 자신만의 가스볼을 만들기 위해 Roo et al. 플라스틱 입자는 수조의 표면에 펼쳐져 있고 함께 뭉쳐서 과립형 뗏목을 형성합니다. 그런 다음 연구원들은 뗏목 바로 아래에 주사기로 약간의 공기를 주입하여 기포를 형성하고 숟가락을 사용하여 각 기포의 표면이 플라스틱 입자로 완전히 덮일 때까지 뗏목 위로 기포를 밀어넣었습니다.

표준 비눗방울은 예상대로 1분 정도 이내에 터집니다. 하지만 로 다른 사람. 그는 플라스틱 입자의 코팅이 6분에서 60분 사이에 붕괴된 수성 가스 볼을 배출하는 과정을 상당히 중화시켰다는 것을 발견했습니다. 수명을 더 연장하기 위해 연구원들은 증발을 중화해야 했습니다.

그래서 그들은 물에 글리세롤을 첨가했습니다. 저자에 따르면, 글리세롤은 높은 농도의 하이드록실 그룹을 포함하고 있으며, 이는 차례로 물 분자와 강한 친화력을 가지고 있어 강한 수소 결합을 형성합니다. 따라서 글리세롤은 공기보다 물을 더 잘 흡수하여 증발을 보상합니다. 글리세린 물과 가스 볼은 5주에서 465일까지 훨씬 더 오래 지속되므로 연구자들은 물과 글리세린의 최상의 비율을 결정할 수 있었습니다.

연구원의 작업은 거품을 넘어 확장됩니다. 그들은 또한 강한 복합 액체 필름을 만들고 갇힌 플라스틱 입자 층으로 덮인 액체 표면 아래에 금속 프레임을 담그어 다른 몸체로 성형할 수 있었습니다. 프레임은 입자가 코팅된 필름을 표면으로 천천히 들어올리면서 집어 들었습니다. 가장 주목할만한 다른 사람. 그들은 액체 수성/글리세롤 필름에서 3D 피라미드 모양을 구성할 수 있었습니다. 피라미드는 378일 이상 지속되었으며 그 수는 증가하고 있습니다.

DOI: 물리적 검토의 유체, 2022. 10.1103/ PhysRevFluids.7.L011601 (DOI 정보).

A. Roux 외의 목록 이미지, 2022