En studie inspirerad av gatuartister som gör gigantiska såpbubblor ledde till en upptäckt inom vätskemekaniken:Att blanda olika molekylstorlekar av polymerer i en lösning ökar förmågan hos en tunn film att sträcka sig utan att gå sönder.

Journalen Fysiska granskningsvätskor publicerade resultaten av studien av fysiker vid Emory University. Fynden kan potentiellt leda till förbättrade processer som flödet av oljor genom industriella rör och rensningen av förorenande skum i vattendrag och floder.

Resultaten har också konsekvenser för bubbelblåsande entusiaster på bakgården.

"Denna studie ger definitivt det roliga i grundläggande vetenskap, säger Justin Burton, docent i fysik vid Emory University och senior författare till tidningen.

Vätskedynamik är ett av fokuserna i Burtons laboratorium. "Flödesdynamikens processer är visuellt vackra och de finns överallt på vår planet, från bildandet och sönderdelningen av droppar och bubblor till flygplanens aerodynamik och världshavens vältning av djuphavsvatten, " han säger.

Medan Burton var i Barcelona för en konferens för några år sedan, han råkade se gatuartister göra enorma bubblor med en tvållösning och tjockt bomullssnöre. "De här bubblorna var ungefär lika stora som en hula hoop och lika mycket som en bil långa, " minns han. "De var också vackra, med färgskiftningar från rött till grönt till blåaktiga toner på ytan."

Denna regnbågseffekt visar att filmens tjocklek är jämförbar med ljusets våglängd, eller bara några mikron, han förklarar.

Att se föreställningen väckte en fysikfråga i Burtons sinne:Hur kunde en så mikroskopiskt tunn film behålla sin integritet över en så stor sträcka utan att bryta upp? Han började undersöka, både på hans bakgård och i hans labb.

När Burton undersökte bubbelrecept kom han över Soap Bubble Wiki, en online, öppen källkodsprojekt. Wiki säger att det syftar till att hjälpa "bubblare" att skapa "den perfekta bubblan" genom att skilja fakta från folklore om recept och ingredienser för tvålbubbla.

Förutom vatten och diskmedel, Soap Bubble Wiki-recepten inkluderade vanligtvis en polymer – ett ämne som består av långa kedjor av upprepade molekyler. De vanligaste polymererna i recepten var naturlig guar, ett pulver som används som tillsats i vissa livsmedel, eller industriell polyetylenglykol (PEO), ett smörjmedel som används i vissa läkemedel. Guidad av wiki -rekommendationerna, Burton genomförde laboratorieexperiment tillsammans med två studenter medförfattare som sedan har tagit examen:Stephen Frazier, som fick en magisterexamen i fysik i maj och är författare, och grundexamen Xinyi Jiang.

"Vi började i princip göra bubblor och spränga dem, och registrerade hastigheten och dynamiken i den processen, "Burton säger. "Att fokusera på en vätska i dess mest våldsamma ögonblick kan berätta mycket om dess underliggande fysik."

Tvålfilmer absorberar infrarött ljus, så forskarna lyste det genom bubblorna för att mäta tjockleken på filmerna. De mätte också molekylvikterna för de olika polymerer de använde i bubbelrecepten. Och de låter gravitationen dra droppar av de olika tvålfilmerna från ett munstycke, för att mäta hur länge den resulterande vätsketråden kan sträcka sig mellan munstycket och droppen innan den bryts.

Resultaten visade att polymerer var nyckelingrediensen för att göra kolossala bubblor. Den långa, fibrösa strängar av polymerer gör att bubblorna flyter smidigt och sträcker sig längre utan att poppa.

"Polymersträngarna trasslar in sig, något som en hårboll, bildar längre trådar som inte vill gå sönder, " Burton förklarar. "I rätt kombination, en polymer tillåter en tvålfilm att nå en "sweet spot" som är trögflytande men också stretchig - bara inte så stretchig att den går sönder."

Arbetet bekräftar vad många expert "bubblare" redan hade räknat ut - ett bra recept för jättelika såpbubblor bör innehålla en polymer.

"Vi gjorde fysiken för att förklara varför och hur polymerer kan få en vätskefilm att sträcka sig så långt som 100 kvadratmeter utan att gå sönder, " säger Burton.

Fysikerna fann också att en variation av polymerernas molekylstorlek hjälper till att stärka tvålfilmen. Den upptäckten skedde av en slump.

Forskarna arbetade med projektet i mer än ett år och lagrade några behållare med PEO som de hade köpt. De insåg att PEO från behållare som hade åldrats cirka sex månader gav starkare såpbubbelfilmer jämfört med PEO från behållare som användes när den först köptes. Vid utredning, de insåg att polymererna i den åldrade PEO hade försämrats med tiden, variera längden på molekylsträngarna.

"Polymerer av olika storlekar blir ännu mer intrasslade än polymerer av en enda storlek, stärka filmens elasticitet, " säger Burton. "Det är en grundläggande fysikupptäckt."

Förstå hur vätskor och tunna filmer svarar på stress, Burton säger, kan leda till en rad applikationer, som att förbättra flödet av industrimaterial genom rör, eller sanering av giftiga skum.

"Som med all grundforskning, du måste följa dina instinkter och hjärta, "Burton säger om sin tvålbubbelodyssé." Ibland brister din bubbla, men i det här fallet, vi upptäckte något intressant."