吹泡泡的科學原理,吹泡泡的水怎么配

酒易淘酒水功效 2022-09-06 09:13:07

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　　吹泡泡是大家最熟悉的童年游戲。蘸點泡泡水，輕輕吸一口氣，一串五顏六色的泡泡就隨風在陽光下吹走了。泡泡水用完之后，爸媽舍不得買新的一瓶。我該怎么辦？小腦瓜靈光一閃，倒上一點洗潔精或者洗衣粉或者洗發水，和水混合就成了一瓶“泡泡水”。但是，這瓶“泡泡水”吹不出買來的泡泡水那么多泡泡。這是為什么呢？　　

　　今天，邊肖將回答這個童年神話，順便給你一個制作泡泡水的小抄。　　

　　神奇的表面張力　　

　　提到氣泡，就不得不談到表面張力的概念。兩種不同物質之間的界面張力稱為表面張力1。從分子力的水平來看，表面張力是由物質內部的引力引起的。以液體為例，液體中分子之間的引力一般大于氣體中分子之間或氣體與液體之間的引力，使得液體收縮，表面看起來像一層致密的薄膜。從能量的角度來看，表面的分子具有較高的分子勢能。為了達到低能的穩定狀態，需要減少表面分子的暴露和液體的表面積。注意，雖然它有一個帶“力”的名字，但它的單位實際上是N/m或J/m2。　　

　　純水的表面張力維為72.75N/m，乙醇的表面張力維為22.55N/m，因此乙醇的表面張力小于純水。為了降低純水的表面張力，還可以在其中加入表面活性劑。表面活性劑是能顯著降低溶液表面張力的物質。表面活性劑一般是帶有親水基團(“頭”)和疏水基團(“尾”)的有機兩性分子。溶解在水中的無機鹽會增加表面張力。　　

　　十二烷基硫酸鈉(長得像毛毛蟲)，一種表面活性劑，廣泛用于洗衣粉|來源：維基百科　　

　　生活中的很多現象都與表面張力有關，比如水黽的輕功浮在水面上，一便士浮在水面上，《三體》曲率飛船的原理(搞錯了)。　　

　　水黽輕功浮于水面。打破它很簡單。添加一些表面活性劑|來源：維基百科　　

　　在船尾部滴清潔劑，船尾部的表面張力小，但前面的表面張力大，從而“拉”著船前進。　　

　　說了這么多，表面張力和氣泡有什么關系？純水的表面張力比較大，所以不能形成穩定的氣泡，因為氣泡的產生會增加氣液之間的表面積，使表面自由能增加，這是熱力學不穩定的。加入表面活性劑后，表面活性劑的親水基團插入水相，疏水基團豎立在空氣中，從而降低表面張力，讓氣泡穩定存在一段時間。從下圖可以看出，氣泡膜是三明治結構，兩面是表面活性劑，中間是一層水。這種夾層結構對后面氣泡水的形成至關重要。　　

　　氣泡的結構　　

　　薄膜干涉　　

　　吹泡泡的時候，孩子們最迷戀的是它們彩虹般的顏色，五顏六色的，好像被施了魔法一樣。氣泡的顏色其實是一種很常見的光學現象——薄膜干涉。　　

　　所謂膠片干涉，就是一束光照射在膠片上。由于折射率不同，光會分別被薄膜的上界面和下界面反射，由于相互干涉形成新的光。這種現象被稱為電影干擾2。新的光是上下界面反射光的疊加，兩個界面的反射光可能會發生相長干涉(強度增加)或相消干涉(強度減小)，這取決于它們的相位關系。　　

　　干擾消除(圖中未顯示半波損失)|來源：維基百科　　

　　干涉是建設性的(圖中未顯示半波損失)|來源：維基百科　　

　　從上圖可以看出，兩個界面處反射光的相位關系不僅與入射光波的波長(顏色)有關，還與薄膜的厚度有關。當光程差是半波長的偶數倍時，就是干涉抵消。當光程差是半波長的奇數倍時，干涉是相長的(有半波損失)。因此，我們可以通過觀察氣泡的顏色來估算其膜厚。　　

　　氣泡膜顏色與厚度的關系|來源：physics.stack 　　

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泡泡膜顏色與厚度的關系 | 來源：soapbubble.dk

相信大家都有經驗，如果泡泡顏色變成了黃昏時天空的那種金色，就說明泡泡快要破了。那么泡泡變薄的原因是什么呢，一是在重力作用下泡泡水會向下流動，二是泡泡的比表面積巨大，蒸發劇烈，使得泡泡很快變薄。

●大泡泡配方●

有了上面那些知識，現在就來解答“為什么用洗潔精配成的泡泡水吹不出很多泡泡”這個童年迷思。

不知大家發現沒有，自制的泡泡水吹出來的泡泡顏色沒有那么鮮艷，甚至有點發灰，一下子就破了。根據上面泡泡顏色和膜厚的關系，就很好理解：自制泡泡水吹出來的泡泡的膜很薄，很容易破。那怎樣才能讓泡泡膜變厚，并且維持比較長的時間呢？

和大家一樣，有很多人也對這件事兒好奇，所以就有個在線的Wiki <3>，專門分享泡泡水的配方和將泡泡吹大、吹多的方法。

確實，泡泡水的配方可不是洗潔精加水那么簡單（那時的小腦袋想盡辦法也不過是加大洗潔精的濃度，或者是換一種洗滌劑）。一般來說，有以下成分：去離子水、表面活性劑、甘油、聚合物、pH調節劑。

下面小編來給大家一一解釋這些成分的作用。

水是作為溶劑的，這大家都知道，但為什么要強調用去離子水？生活在水質比較硬的地方小可愛就知道，用肥皂洗澡的時候，會發現肥皂水上面有一層浮渣。這些浮渣大部分其實不是人體的污垢，而是硬水中的鈣鎂離子和肥皂中的硬脂酸鈉生成了溶解度更小的硬脂酸鈣和硬脂酸鎂，浮在了水面上。所以，為了讓表面活性劑發揮最好的性能，最好用去離子水。

在配方中當然少不了表面活性劑了，常見的有很多，洗潔精、洗手液、洗衣液等等都可以。至于甘油，其實沒有什么特別的作用，主要是因為下面要用到的粘結劑不太溶于水，需要甘油來幫助它們溶解。

至于泡泡水中需要添加聚合物，很多人就可能就不知道了。它不僅能讓泡泡膜變厚，還能讓泡泡延展開來后更不容易破裂。還記得前面說到了泡泡膜的三明治結構嗎？聚合物也有減緩泡泡膜水分蒸發的作用，讓泡泡維持更長的時間。常見的聚合物添加劑有聚環氧乙烷（PEO）、瓜爾豆膠、聚乙烯醇（PVA，膠水中的就是它）等。

聚環氧乙烷PEO | 來源：Wikipedia

瓜爾豆膠 | 來源：Wikipedia

說到泡泡水中的聚合物，就不得不說一下美國埃默里大學的賈斯汀伯頓（Justin Burton）副教授。他在巴塞羅那開會的時候看見街頭藝人表演吹出了巨大的泡泡，不由得想知道巨大的泡泡為什么能維持那么大的表面積而不至于破裂 <4>。于是他回到家研究泡泡的配方，并發現了Soap Bubble Wiki這個網站（就是參考資料<3>的那個網站）。經過實驗，他發現聚合物對大泡泡的產生起了至關重要的作用。于是他就指導自己的研究生在實驗室吹泡泡玩，研究聚合物究竟為何能讓大泡泡不易破裂。然后就在Physical Review Fluids上發了一篇論文（見參考資料<5>），并且他的研究生還憑這個工作碩士畢業了（這也可以？？？）。

言歸正傳，配方中的pH調節劑主要是泡打粉、檸檬酸等。其實不用這些pH調節劑就可以獲得很好的泡泡水了，但是一些人發現加了pH調節劑后可以讓泡泡更容易閉合，并且延長泡泡的壽命。

Soap Bubble Wiki給初學者提供了一個入門配方，請大家備好小馬扎：1kg去離子水，40~65g洗潔精、1.5g瓜爾豆膠，2g泡打粉，適量甘油或酒精<6>。除了配方，吹大泡泡的工具也很重要，下面這種自制的工具能吸取盡可能多的泡泡水，吹出大泡泡。還專門有個網站收集大泡泡的世界紀錄（見參考資料 <7>）。

吹大泡泡工具示意圖 | 來源：Soap Bubble Wiki