肥皂泡怎么才能吹更大？

●下雪 圓的方塊 文 小琪 編 ○老樹昏鴉 繪

肥皂泡從吹出到破裂，僅存在寥寥幾秒。但在歷史長河中，卻有無數(shù)學(xué)者沉醉于這轉(zhuǎn)瞬即逝的魅力，試圖解答泡泡所帶來的迷思。時至今日，兒時的我們也都曾對這一游戲迷戀萬分，肥皂泡怎么吹得大也就成了我們眾多童年迷思中的一個。

誰不喜歡吹泡泡呢？

公元前2900年，古巴比倫人發(fā)明了肥皂，有理由相信這里很可能也誕生了第一個吹肥皂泡的人。隨后的千年時光，肥皂在世界范圍內(nèi)逐漸流行，也有越來越多的人開始吹起了肥皂泡?，F(xiàn)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(shù)家協(xié)會。

科技在發(fā)展，時代在進步，但是如何吹出一個大泡泡，卻仍是困擾無數(shù)人的童年迷思。

賈斯汀·伯頓同樣有這樣的迷思。作為美國埃默里大學(xué)的物理學(xué)副教授，他一直好奇，那些街頭藝術(shù)家們?nèi)绾伟雅菖荽档健爸睆接泻衾踩Υ笮?，長度和一輛汽車相當(dāng)”？于是，賈斯汀決定自己造個大泡泡。

巨大泡泡背后的奧秘

目前，世界上最大的室外自由漂浮肥皂泡記錄由泡泡大師奧森博士創(chuàng)造。在2015年，他使用兩根魚竿綁著繩子，沾滿肥皂液，創(chuàng)造了一個96.27立方米的超級大泡泡，體積接近一輛卡車。而大泡泡專用的肥皂液配方并不是什么秘密，甚至有人把愛好者們公布的配方搜集在一起，做成了肥皂泡維基百科。

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，在肥皂泡維基百科中最常出現(xiàn)的天然瓜爾膠或聚環(huán)氧乙烷（PEO），前者是一種常用的食品增稠劑，后者是工業(yè)上常用的增稠劑和潤滑油。

賈斯汀敏銳地意識到，制造巨大泡泡的關(guān)鍵就在于聚合物。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?nèi)绾斡绊懥朔试砼莸拇笮　?/p>

首先，他們測試了不同濃度溶液的剪切黏度，這一指標(biāo)最能反映肥皂液這類液體流動性的強弱。

當(dāng)加入PEO后，剪切黏度并未發(fā)生太大變化；而加入瓜爾膠后，剪切黏度隨著濃度升高而增大，甚至可達到PEO溶液的10倍。兩種溶液有如此巨大的差異，但又都能吹出大泡泡，說明了肥皂液的剪切黏度并不是主要因素。

在形成肥皂泡時，肥皂液會離開棉線，并逐漸拉伸。因此，賈斯汀將目光轉(zhuǎn)向流體另一個重要參數(shù)——拉伸黏度，這能體現(xiàn)拉伸狀態(tài)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(chǎn)生顯著影響?？磥?，“拉伸黏度”才是這些聚合物分子發(fā)揮作用的關(guān)鍵。而且在實驗中，賈斯汀發(fā)現(xiàn)聚合物的添加并不是濃度越高越好，而是需要在一個合適的濃度范圍，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(jié)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，它們就能使肥皂膜達到一個既有黏性又有彈性的最佳點?！?/p>

此外，研究者們發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)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后，會使原本很長的分子鏈降解，產(chǎn)生不同長度分子鏈的混合物。于是，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(dāng)于模擬了靜置后的溶液），發(fā)現(xiàn)確實比單一溶液的效果好。

為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？暫時并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(jié)會導(dǎo)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(chǎn)生更豐富的相互作用。

賈斯汀提供的巨型泡泡配方

· 1公升水

· 50毫升黎明專業(yè)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(fā)酵粉（約1/2茶匙）

先將瓜耳粉和酒精混合，攪拌到?jīng)]有結(jié)塊。然后將酒精/瓜耳粉與水混合，輕輕攪拌10分鐘。靜置一會兒使瓜耳粉水合，然后再次混合。水應(yīng)該稍微變稠，就像稀湯或未凝固的明膠。加入發(fā)酵粉攪拌。加入黎明專業(yè)清潔劑，輕輕攪拌，避免產(chǎn)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，然后慢慢地拉出。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！

找到最佳肥皂液配方

在實際制造一個巨大泡泡的時候，肥皂膜會受到重力作用、蒸發(fā)以及環(huán)境因素的影響，它們必須要具有足夠的厚度，并能持續(xù)存在一定時間。

為了尋找制造巨大泡泡的最佳方案，賈斯汀團隊還想揭示什么影響著肥皂膜的壽命和厚度。為此，他們還自行設(shè)計了一個可以根據(jù)時間測量膜厚度的裝置。

令他們驚訝的是，加入聚合物后的膜并沒有顯著變厚，而膜厚度更依賴于所選擇的表面活性劑，也就是所用的肥皂或洗潔精的性質(zhì)。也就是說，一款合適的洗潔精，是吹出厚泡泡的基礎(chǔ)。

關(guān)于膜壽命的問題則稍顯復(fù)雜。首先，他們發(fā)現(xiàn)加入過聚合物的膜壽命確實更長，而且在最優(yōu)的濃度范圍內(nèi)，加入瓜爾膠的要比加入PEO的膜壽命長得多。因此，他們認(rèn)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長短。與之前的實驗相似，并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范圍，在這一范圍內(nèi)，可以近似地看作：濃度越高，壽命越長。

此外，他們再一次驗證了網(wǎng)友的智慧——肥皂泡愛好者們喜歡在天氣涼爽潮濕時發(fā)揮自己的創(chuàng)意。炎熱的天氣會增加液體蒸發(fā)速率，他們測試了相對濕度下的肥皂膜壽命，發(fā)現(xiàn)了相對濕度在75%以上，就會顯著增加膜壽命，在相對濕度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(fā)，得到網(wǎng)友經(jīng)驗幫助的研究，最終發(fā)表在了流體物理學(xué)刊物《流體 物理評論》上。

賈斯汀在論文中表示，更專業(yè)的流變學(xué)實驗和分子動力學(xué)模擬可能會有助于闡明兩種聚合物協(xié)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(chǔ)研究一樣，你必須遵循自己的直覺和內(nèi)心，有時肥皂泡會破裂，但就在這時我們發(fā)現(xiàn)了有趣的東西?！被蛟S，新發(fā)現(xiàn)就從吹一個肥皂泡開始！