原創 下雪 我是科學家iScientist
太長不看版
1. 吹大泡泡的關鍵在於肥皂液；
2. 肥皂液中除了水和洗潔精等基本原料，還要添加聚合物；
3. 聚合物可以提高肥皂液的拉伸黏度，並改善泡泡的壽命；
4. 科學家推薦的吹大泡泡神秘配方在文章結尾。
小朋友，你是否有很多問號？
紙飛機怎麼飛的遠？葫蘆娃爺爺叫啥名？灰太狼什麼時候能抓到羊？
……
在眾多童年迷思中，今天我們試圖來解答其中一個：肥皂泡怎麼吹得大？
誰不喜歡吹泡泡呢？
公元前2900年，古巴比倫人發明了肥皂。有理由相信這裡很可能也誕生了第一個吹肥皂泡的人。
隨後的千年時光，肥皂在世界範圍內逐漸流行，也有越來越多的人開始吹起了肥皂泡。
法國畫家夏爾丹名畫《肥皂泡》 | commons.wikimedia.org
現如今，世界上的肥皂泡愛好者們眾多，他們甚至組成了一個全球性的組織——國際泡泡藝術家協會。
科技在發展，時代在進步，但是如何吹出一個大泡泡，卻仍是困擾無數人的童年迷思。
賈斯汀·伯頓（Justin C. Burton）同樣有這樣的迷思。作為美國埃默裡大學的物理學副教授，他一直好奇，那些街頭藝術家們如何把泡泡吹成「直徑有呼啦圈大小，長度和一輛汽車相當」。
於是，賈斯汀決定自己造個大泡泡。
巨大泡泡背後的奧秘
目前，世界上最大的室外自由漂浮肥皂泡是由泡泡大師U.R.Awesome博士創造。在2015年，他使用兩根魚竿綁著繩子，沾滿肥皂液，創造了一個96.27立方米的超級大泡泡，體積接近一輛卡車。
目前記錄的最大的戶外肥皂泡 | drurawesome.com
而大泡泡專用的肥皂液配方並不是什麼奧秘，甚至有人把愛好者們公布的配方搜集在一起，做成了肥皂泡維基（Soap Bubble Wiki）。
在眾多肥皂泡配方中，除了水和洗滌劑這些常見的原料，還往往包含一些聚合物。比如，在肥皂泡維基中最常出現的天然瓜爾膠或聚環氧乙烷（PEO），前者是一種常用的食品增稠劑，後者是工業上常用的增稠劑和潤滑油。
賈斯汀敏銳地意識到，製造巨大泡泡的關鍵就在於聚合物。
聚乙二醇的分子式，分子量超過20000的一般稱為聚環氧乙烷（PEO）
賈斯汀和他的團隊在水與洗潔精（起到肥皂的作用）的混合溶液中，分別加入不同濃度的瓜爾膠溶液和PEO溶液（J-Lube潤滑液，PEO含量為25%），研究它們如何影響了肥皂泡的大小。
首先，他們測試了不同濃度溶液的剪切黏度，這一指標最能反映肥皂液這類液體流動性的強弱。
當加入PEO後，剪切黏度並未發生太大變化；而加入瓜爾膠後，剪切黏度隨著濃度升高而增大，甚至可達到PEO溶液的10倍。兩種溶液的如此巨大的差異，但又都能吹出大泡泡，說明了肥皂液的剪切黏度並不是主要因素。
在形成肥皂泡時，肥皂液會離開棉線，並逐漸拉伸。因此，賈斯汀將目光轉向流體另一個重要參數——拉伸黏度，這能體現拉伸狀態下流體的運動特點。
賈斯汀使用高速攝像機拍下了液滴下落（拉伸）的過程，測量了最終滴下之前的拉伸長度和破裂時間——無論是加入瓜爾膠還是PEO，都會對流體的拉伸性能產生顯著影響。看來，「拉伸黏度」才是這些聚合物分子發揮作用的關鍵。
不同PEO分子量和濃度下拉伸的長度（Frazier，2020）
而且在實驗中，賈斯汀發現聚合物的添加並不是濃度越高越好，而是需要在一個合適的濃度範圍，才能最大程度改善肥皂液的拉伸黏度。他解釋說，「聚合物纏結在一起時，就像一個毛線球，形成了一個不容易分開的長鏈，只要在最合適的濃度下，它們能使肥皂膜達到一個既有黏性又有彈性的最佳點。」
此外，研究者們發現了網友的一個建議：聚合物靜置一段時間再使用，效果會更好。賈斯汀意識到瓜爾膠和PEO這些高分子聚合物靜置後，會使原本很長的分子鏈會降解，產生不同長度分子鏈的混合物。於是，賈斯汀配置了不同分子量的PEO溶液。通過混合兩種不同分子量的溶液（相當於模擬了靜置後的溶液），發現確實比單一溶液的效果好。
為什麼會出現這種現象？暫時並沒有明確的理論來解釋，賈斯汀也僅僅給出一種推測。在溶液中，聚合物的瞬間纏結會導致流體拉伸黏度變化，而多種分子量混合的聚合物會與表面活性劑分子產生更豐富的相互作用。
賈斯汀（左）和他的學生在埃默裡大學的草坪上進行實驗 | arstechica.com
找到最佳肥皂液配方
在實際製造一個巨大泡泡的時候，肥皂膜會受到重力作用、蒸發以及環境因素的影響，它們必須要具有足夠的厚度，並能持續存在一定時間。
為了尋找製造巨大泡泡的最佳方案，賈斯汀團隊還想揭示什麼影響著肥皂膜壽命和厚度。為此，他們還自行設計了一個可以根據時間測量膜厚度的裝置。
令他們驚訝的是，加入聚合物後的膜並沒有顯著變厚，而膜厚度更依賴於所選擇的表面活性劑，也就是所用的肥皂或洗潔精的性質。
也就是說，一款合適的洗潔精，是吹出厚泡泡的基礎。
賈斯汀團隊設計的測量肥皂膜厚度的紅外線放大裝置（Frazier，2020）
關於膜壽命的問題則稍顯複雜。
首先，他們發現加入過聚合物的膜壽命確實更長，而且在最優的濃度範圍內，加入瓜爾膠的要比加入PEO的膜壽命長的多。因此，他們認為瓜爾膠可以勝出成為最佳原料。
其次，聚合物分子量和濃度決定了膜壽命的長短。與之前的實驗相似，並非分子量和濃度越高，膜壽命就越長，而是有一個適合的濃度範圍，在這一範圍內，可以近似地看作：濃度越高，壽命越長。
圖中紅色條為最佳溶液濃度範圍，橫坐標為濃度，縱坐標為膜壽命 （Frazier，2020）
此外，他們再一次驗證了網友的智慧——肥皂泡愛好者們喜歡在涼爽潮溼的天氣時發揮自己的創意。炎熱的天氣會增加液體蒸發速率，他們就測試了相對溼度下的肥皂膜壽命，發現了相對溼度在75%以上，就會顯著增加膜壽命，在相對溼度90%的情況下，膜可以存在250秒以上。
這樣一項從娛樂活動啟發，得到網友經驗幫助的研究，最終發表在了流體物理學刊物Physics Review Fluids上。
賈斯汀在論文中表示，更專業的流變學實驗和分子動力學模擬可能會有助於闡明兩種聚合物協同作用的原理。看似簡單的肥皂泡又給我們帶來了新的物理問題。
他說，「與所有基礎研究一樣，你必須遵循自己直覺和內心，有時肥皂泡會破裂，但就在這時我們發現了有趣的東西。」
或許，新發現就從吹一個肥皂泡開始！
巨型泡泡配方
（賈斯汀提供）
· 1公升水
· 50毫升黎明專業洗滌劑（超過三大湯匙，可在線購買）
· 2-3克瓜耳粉（約1/2茶匙）
· 50毫升外用酒精（比三大湯匙多一點）
· 2克發酵粉（約1/2茶匙）
先將瓜爾豆粉和酒精混合，攪拌到沒有結塊。然後將酒精/瓜爾豆液與水混合，輕輕攪拌10分鐘。靜置一會兒使瓜耳豆水合，然後再次混合。水應該稍微變稠，就像稀湯或未凝固的明膠。加入發酵粉攪拌。加入黎明專業清潔劑，輕輕攪拌，避免產生泡沫。肥皂液這就配好了！
將一根帶繩的魔杖浸入液體中，直到完全浸沒，然後慢慢地拉出。慢慢揮動你的魔杖，或者向它吹氣。享受巨大泡泡帶來的快樂吧！
作者名片
作者：下雪
編輯：圓的方塊
排版：雷穎
題圖來源：waynesthisandthat.com
參考資料：
[1]https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/largest-free-floating-soap-bubble
[2]Frazier S, Jiang X, Burton J, et al. How to make a giant bubble[J]. 2020, Phys. Rev. Fluids 5, 013304
[3]https://soapbubble.fandom.com/wiki/Soap_Bubble_Wiki
[4]http://www.recordholders.org/en/list/soapbubbles.html
[5]https://arstechnica.com/science/2020/02/physicists-determine-the-optimal-soap-recipe-for-blowing-gigantic-bubbles/
[6]https://www.technologyreview.com/2019/08/24/102697/the-chemistry-behind-how-you-make-a-record-breaking-giant-soap-bubble/
[7]https://news.emory.edu/features/2020/01/physics-of-bubbles/index.html
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