Мыльная пленка

Мыльные пленки представляют собой тонкие слои жидкости (обычно на водной основе), окруженные воздухом. Например, если два мыльных пузыря соприкасаются , они сливаются, и между ними образуется тонкая пленка. Таким образом, пены состоят из сети пленок, соединенных границами Плато . Мыльные пленки можно использовать в качестве модельных систем минимальных поверхностей, которые широко используются в математике.

Стабильность

Рисунок 1: Организация поверхностно-активных веществ на обеих поверхностях мыльной пленки.

Рисунок 2: Поверхностные силы Марангони, возникающие из-за неоднородности концентрации поверхностно-активных веществ. Стрелки обозначают направление силы

Ежедневный опыт ^{[ нужна ссылка ]} показывает, что образование мыльных пузырей невозможно в воде или любой чистой жидкости. На самом деле, присутствие мыла, которое на молекулярном уровне состоит из поверхностно-активных веществ , необходимо для стабилизации пленки. В большинстве случаев поверхностно-активные вещества являются амфифильными , то есть представляют собой молекулы, имеющие как гидрофобную , так и гидрофильную часть. Таким образом, они располагаются преимущественно на границе раздела воздух/вода (см. рисунок 1).

Поверхностно-активные вещества стабилизируют пленки, поскольку они создают отталкивание между обеими поверхностями пленки, предотвращая ее истончение и, как следствие, разрыв. Количественно это можно показать посредством расчетов расклинивающего давления . Основными механизмами отталкивания являются стерический (ПАВ не могут переплетаться) и электростатический (если ПАВ заряжены).

Кроме того, поверхностно-активные вещества делают пленку более устойчивой к колебаниям толщины за счет эффекта Марангони . Это придает некоторую эластичность границе раздела: если поверхностные концентрации не распределены по поверхности однородно, силы Марангони будут стремиться к повторной гомогенизации поверхностной концентрации (см. рисунок 2).

Даже при наличии стабилизирующих ПАВ мыльная пленка не сохраняется вечно. Вода со временем испаряется в зависимости от влажности атмосферы. Более того, как только пленка не является идеально горизонтальной, жидкость под действием силы тяжести стекает ко дну и скапливается внизу. Вверху пленка истончается и лопается.

Важность поверхностного натяжения: минимальные поверхности

С математической точки зрения мыльные пленки представляют собой минимальные поверхности . Поверхностное натяжение — это энергия, необходимая для образования поверхности на единицу площади. Пленка, как и любое тело или структура, предпочитает существовать в состоянии минимальной потенциальной энергии . Чтобы минимизировать свою энергию, капля жидкости в свободном пространстве естественным образом принимает сферическую форму, имеющую минимальную площадь поверхности для данного объема. Лужи и пленки могут существовать и в присутствии других сил, таких как гравитация и межмолекулярное притяжение к атомам подложки. Последнее явление называется смачиванием : силы связи между атомами подложки и атомами пленки могут привести к уменьшению общей энергии. В этом случае конфигурация тела с наименьшей энергией будет такой, в которой как можно больше атомов пленки расположены как можно ближе к подложке. В результате получится бесконечно тонкая пленка, бесконечно широко распространенная по подложке. В действительности эффект адгезионного смачивания (вызывающий максимизацию поверхности) и эффект поверхностного натяжения (вызывающий минимизацию поверхности) уравновешивают друг друга: стабильная конфигурация может представлять собой каплю, лужу или тонкую пленку, в зависимости от сил. это работа над телом. ^[1]

Цвета

Рисунок 3: интерференция тонкой пленки в мыльном пузыре. Обратите внимание на золотисто-желтый цвет вверху, где пленка тонкая, и на несколько еще более тонких черных пятен.

Радужные интерференцией цвета мыльной пленки возникают в результате интерференции (внутри и снаружи) отраженных световых волн, процесса, называемого тонкой пленки , и определяются толщиной пленки. Это явление не то же самое, что происхождение цветов радуги (вызванное преломлением внутреннего отраженного света), а скорее то же самое, что явление, вызывающее цвета масляного пятна на мокрой дороге.

Дренаж

Рисунок 4: Изображение фильма, сделанное во время его создания. Пленку вытаскивают из мыльного раствора и стекают сверху.

Если поверхностно-активные вещества выбраны правильно ^[2] а влажность воздуха и движение воздуха соответствующим образом контролируются, горизонтальная мыльная пленка может сохраняться от минут до часов. Напротив, на вертикальную мыльную пленку действует сила тяжести, поэтому жидкость имеет тенденцию стекать, в результате чего мыльная пленка становится тоньше вверху. Цвет зависит от толщины пленки, что объясняет цветные интерференционные полосы, которые можно увидеть вверху рисунка 4.

Черные пятна

На поздних стадиях истощения начинают формироваться черные пятна с острыми краями. Эти пятна значительно тоньше (< 100 нм), чем обычная мыльная пленка, что приводит к их черному интерференционному цвету. Могут ли образоваться черные пятна, зависит от концентрации мыла, при этом существует два типа черных пленок: ^[3]

Обычные черные пленки толщиной около 50 нм и
Черные пленки Ньютона толщиной около 4 нм требуют более высокой концентрации электролита. В этих пленках внешние поверхности мыла эффективно скрепились и выдавили большую часть внутренней жидкости.

По мере того, как дренаж продолжается, черные пятна в конечном итоге захватывают всю мыльную пленку, и, несмотря на ее чрезвычайную тонкость, конечная черная пленка может быть достаточно стабильной и сохраняться в течение многих минут.

взрыв

Если мыльная пленка нестабильна, она лопается. Где-то в фильме создается дыра, которая открывается очень быстро. Поверхностное натяжение действительно приводит к минимизации поверхности и, следовательно, к исчезновению пленки. Раскрытие отверстия происходит не мгновенно и замедляется инерцией жидкости. Баланс между силами инерции и поверхностного натяжения приводит к скорости открытия: ^[4] $V={\sqrt {\frac {2\gamma }{\rho h}}}$ где $\gamma$ – поверхностное натяжение жидкости, $\rho$ плотность жидкости и $h$ это толщина пленки.

Ссылки

^ Женн, Пьер-Жиль де. (2004). Капиллярность и явления смачивания: капли, пузыри, жемчужины, волны . Брошар-Вайарт, Франсуаза, Кере, Давид. Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 0-387-00592-7 . OCLC 51559047 .
^ Болл, 2009. стр. 61–67.
^ Пью, Роберт Дж. (2016). «Мыльные пузыри и тонкие пленки». Химия пузырьков и пены . Кембридж. стр. 84–111. дои : 10.1017/CBO9781316106938.004 . ISBN 9781316106938 .
^ Кулик, FEC (1960). «Комментарии к порванной мыльной пленке» (PDF) . Журнал прикладной физики . 31 (6). Издательство АИП: 1128–1129. Бибкод : 1960JAP....31.1128C . дои : 10.1063/1.1735765 . ISSN 0021-8979 .

Общие источники

Болл, Филип (2009). Формы. Узоры природы: гобелен в трех частях . Издательство Оксфордского университета. стр. 61–67 , 81–97, 291–292. ISBN 978-0-19-960486-9 .

[1] Женн, Пьер-Жиль де. (2004). Капиллярность и явления смачивания: капли, пузыри, жемчужины, волны . Брошар-Вайарт, Франсуаза, Кере, Давид. Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 0-387-00592-7 . OCLC 51559047 .

[Ball61-2] Болл, 2009. стр. 61–67.

[Pugh2016-3] Пью, Роберт Дж. (2016). «Мыльные пузыри и тонкие пленки». Химия пузырьков и пены . Кембридж. стр. 84–111. дои : 10.1017/CBO9781316106938.004 . ISBN 9781316106938 .

[4] Кулик, FEC (1960). «Комментарии к порванной мыльной пленке» (PDF) . Журнал прикладной физики . 31 (6). Издательство АИП: 1128–1129. Бибкод : 1960JAP....31.1128C . дои : 10.1063/1.1735765 . ISSN 0021-8979 .

[1]

[2]

[3]

[4]