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 для минимальных поверхностей, которые широко используются в математике.
Стабильность
Ежедневный опыт [ цитата ] показывает, что образование мыльных пузырей невозможно с водой или какой-либо чистой жидкостью. Фактически, присутствие мыла, которое состоит из поверхностно-активных веществ в молекулярном масштабе , необходимо для стабилизации пленки. В большинстве случаев поверхностно-активные вещества являются амфифильными , что означает, что они представляют собой молекулы как с гидрофобной, так и с гидрофильной частью. Таким образом, они расположены предпочтительно 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 с помощью расчетов, относящихся к расклинивающему давлению . Основными механизмами отталкивания являются стерический (поверхностно-активные вещества не могут сплетаться) и электростатический (если поверхностно-активные вещества заряжены).
Более того, поверхностно-активные вещества делают пленку более устойчивой к колебаниям толщины из-за эффекта Марангони . Это придает некоторую эластичность поверхности раздела: если поверхностные концентрации не распределены однородно на поверхности, силы Марангони будут стремиться повторно гомогенизировать поверхностную концентрацию (см. Рисунок 2).
Даже в присутствии стабилизирующих поверхностно-активных веществ мыльная пленка не держится вечно. Вода со временем испаряется в зависимости от влажности атмосферы. Более того, как только пленка оказывается не идеально горизонтальной, жидкость течет ко дну под действием силы тяжести, и жидкость накапливается на дне. Вверху пленка истончается и лопается.
Важность поверхностного натяжения: минимальные поверхности
С математической точки зрения мыльные пленки - это минимальные поверхности . Поверхностное натяжение - это энергия, необходимая для создания поверхности на единицу площади. Пленка - как любое тело или структура - предпочитает существовать в состоянии минимальной потенциальной энергии . Чтобы свести к минимуму свою энергию, капля жидкости в свободном пространстве естественным образом принимает сферическую форму, которая имеет минимальную площадь поверхности для данного объема. Лужи и пленки могут существовать 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 вызвать уменьшение общей энергии. В этом случае конфигурация тела с наименьшей энергией будет такой, при которой как можно больше атомов пленки находятся как можно ближе к подложке. В результате получилась бы бесконечно тонкая пленка, бесконечно широко распределенная по подложке. В действительности эффект адгезионного смачивания (вызывающий максимизацию поверхности) и эффект поверхностного натяжения (вызывающий минимизацию поверхности) уравновешивают друг друга: стабильной конфигурацией может быть капля, лужа или тонкая пленка, в зависимости от сил. которые работают на теле. [1]
Цвета
В радужные цвета мыльной пленке вызваны мешая из (внутри и снаружи) отраженных световых волн, процесс , называемый тонкопленочных интерференционных и определяется толщиной пленки. Это явление не то же самое, что происхождение цветов радуги (вызванное преломлением внутренне отраженного света), а скорее то же самое, что явление, вызывающее цвета в масляном пятне на мокрой дороге.
Дренаж
Если поверхностно-активные вещества правильно выбраны [2] и влажность воздуха и движение воздуха надлежащим образом контролируются, горизонтальная мыльная пленка может длиться от минут до часов. Напротив, на вертикальную мыльную пленку действует сила тяжести, поэтому жидкость имеет тенденцию стекать, в результате чего мыльная пленка становится тоньше наверху. Цвет зависит от толщины пленки, что составляет цветные интерференционные полосы, которые можно увидеть в верхней части рисунка 4.
Черные пятна
На поздних стадиях осушения начинают образовываться 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, кроме того, 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 мыльные поверхности эффективно защелкиваются и выдавливают большую часть внутренней жидкости.
По мере того, как дренаж продолжается, черные пятна в конечном итоге покрывают всю мыльную пленку, и, несмотря на ее чрезвычайную тонкость, окончательная черная пленка может быть довольно стабильной и может сохраняться в течение многих минут.
Разрыв
Если мыльная пленка нестабильна, она заканчивается разрывом. Где-то в фильме создается дыра, которая открывается очень быстро. Поверхностное натяжение действительно приводит к минимизации поверхности и, как следствие, к исчезновению пленки. Отверстие отверстия не является мгновенным и замедляется инерцией жидкости. Баланс между силами инерции и поверхностного натяжения приводит к скорости открытия: [4] где - поверхностное натяжение жидкости, - плотность жидкости и толщина пленки.
Рекомендации
- ^ Жен, Пьер-Жиль де. (2004). Капиллярность и явления смачивания: капли, пузыри, жемчужины, волны . Brochard-Wyart, Françoise., Quéré, David. Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 0-387-00592-7. OCLC 51559047 .
- ↑ Ball, 2009. pp. 61–67.
- ^ Пью, Роберт Дж. (2016). «Мыльные пузыри и тонкие пленки». Пузырьковая и пенная химия . Кембридж. С. 84–111. DOI : 10.1017 / CBO9781316106938.004 . ISBN 9781316106938.
- ^ Кулик, FEC (1960). «Комментарии к разорванной мыльной пленке» (PDF) . Журнал прикладной физики . Издательство AIP. 31 (6): 1128–1129. Bibcode : 1960JAP .... 31.1128C . DOI : 10.1063 / 1.1735765 . ISSN 0021-8979 .
Общие источники
- Болл, Филипп (2009). Формы. Узоры природы: гобелен из трех частей . Издательство Оксфордского университета. стр. 61 -67, 81-97, 291-292. ISBN 978-0-19-960486-9.