АНТИПУЗЫРИ
Кандидат физико-математических наук А. ЗАЙЦЕВА
Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики. Лорд Кельвин
Мыльный пузырь наоборот
Что представляет собой обычный мыльный пузырь? Это сфера, образованная тонкой пленкой жидкости и заполненная воздухом (газом), и снаружи также окруженная воздухом. Мыльный антипузырь - это как бы "негатив" обычного пузыря: сферическая пленка газа, заполненная жидкостью изнутри и окруженная жидкостью снаружи.
Откуда может взяться такой "пузырь наоборот"? Представьте себе следующую ситуацию. На плоскую поверхность воды, в которой растворено моющее вещество (например, шампунь), падает капля такого же раствора. (Заметим, что свободно падающая капля - это уже своего рода "антипузырь" по сравнению с пузырьком воздуха, всплывающим в воде.) Далее может произойти следующее: упав на поверхность воды, капля может не исчезнуть, а некоторое время плавать по поверхности жидкости, не смешиваясь с ней, - это так называемые водяные глобулы, или плавающие капли. Их можно иногда увидеть на воде во время дождя. Водяные глобулы - противопо ложность обычных пузырей на поверхности воды. И, наконец, если падающая капля преодолеет поверхностный слой жидкости и проникнет в ее объем, может образоваться сложная конструкция - капля, окруженная тонкой газовой оболочкой, то есть антипузырь.
Несмотря на свою противоположность, пузыри и антипузыри имеют много общего. В формировании и тех и других участвуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся, например, в жидкости для мытья посуды. Молекулы ПАВ имеют форму стержня, один конец которого гидрофилен ("любит воду"), а другой - гидрофобен ("не любит воду"). В описанном опыте поверхности воды и падающей на нее капли покрыты "частоколом" таких молекул, причем концы, "не любящие воду", естественно, обращены наружу. Подлетая к поверхности, капля может увлечь слой воздуха, который, препятствуя ее слиянию с поверхностью воды, изгибает ее за счет сил отталкивания. Обращенные наружу гидрофобные концы молекул ПАВ также отталкивают воду от капли. В итоге изогнутая поверхность воды смыкается над каплей, и образуется замкнутая сферическая конструкция, стабильность которой обеспечивается двойным слоем молекул ПАВ и силами поверхностного натяжения.
Рождение антипузыря
На первый взгляд кажется, что антипузырь - это что-то очень экзотическое, редко встречающееся в природе. Однако любой человек, хоть раз мывший посуду современными моющими средствами, наверняка производил десятки и сотни мелких антипузырьков, сам того не подозревая.
Вот самый простой способ получить антипузыри в домашних условиях. Возьмите прозрачную емкость с чистой водой и добавьте в нее несколько капель жидкости для мытья посуды или шампуня. Затем наберите немного этой жидкости в резиновую грушу. Поднесите грушу к поверхнос ти воды на расстояние несколько миллиметров и впрысните ее содержимое в емкость с водой. При определенной скорости вливания в воде будут появляться антипузыри (чтобы опыт выглядел эффектнее, можно слегка подкрасить жидкость в груше). Способ этот несложный, но требует определенной сноровки. Кроме того, приходится учитывать массу тонкостей (например, жесткость и загрязненность воды, способ вливания, перепад температур, статическое электричество и т. п.), критически влияющих на качество и количество антипузырей, а также на их поведение. Одним словом, создание антипузырей - это целое искусство. Новичку едва ли удастся получить антипузырь размером более 0,5-1 см. А вот энтузиаст из штата Колорадо Терри Фритц (Terry W. Fritz) сумел усовершенствовать этот метод настолько, что получение антипузырей диаметром 5 см и даже больше стало для него обычным делом. Он использует большие стеклянные емкости, оборудованные насосами, вентилями и прочими приспособлениями. Проводя свои опыты, Фритц обнаружил, что немалую роль в формировании и схлопывании антипузырей играет статическое электричество, поскольку воздушная оболочка антипузыря - это, по сути, миниатюрный сферический конденсатор. Оказывается, разности потенциалов в 0,3 В бывает достаточно, чтобы антипузырь схлопнулся, не успев возникнуть. Терри предложил несколько способов борьбы со статическим электриче ством, самый простой из которых - "заземлять" воду в емкости, опуская в нее металлическую проволоку, привязанную к краю груши так, чтобы вытекающая из нее вода касалась проволоки.
Есть множество других способов изготовления антипузырей. Оригинальный метод предложила группа австрийских и французских ученых. Они обнаружили, что если собрать на поверхности жидкости "плот" из трех обычных мыльных пузырей, а затем капать моющее средство в углубление, где пузыри смыкаются, то под поверхностью воды будут появляться антипузыри примерно таких же размеров. Исследователи утверждают, что этот способ очень надежен.
Антипузыри можно получить не только в воде, но и в других жидкостях. Недавно бельгийские ученые продемонстрировали образование антипузырей в пиве. Это событие немало взволновало пивную общественность: ведь что, казалось бы, общего между пивом и жидкостью для мытья посуды? (Некоторые даже задумались о чистоте технологического процесса производства пива.) Однако ничего удивительного в этом нет: в пиве тоже содержатся поверхностно-активные вещества.
Жизнь и смерть антипузыря
Что может быть менее прочным, чем мыльный пузырь? Только мыльный антипузырь. Защищенный от испарения и механических воздействий мыльный пузырь может жить месяцами, тогда как мыльный антипузырь едва ли протянет более суток, а в обычных условиях он живет от долей секунды до нескольких минут.
В течение своей недолгой жизни антипузыри медленно всплывают к поверхнос ти жидкости. Это происходит гораздо медленнее (примерно в тысячу раз), чем у пузырьков воздуха того же диаметра, поскольку, как известно, сила Архимеда пропорциональна объему газа, заключенного в воздушной оболочке. Добавив внутрь антипузыря немного соли (слегка "посолив" жидкость в груше), можно добиться того, что антипузырь будет "парить" в воде в состоянии безразличного равновесия. А если увеличить концентрацию соли, он начнет тонуть.
В конечном итоге антипузырь ждет та же участь, что и обычный мыльный пузырь, - он лопается. Причиной гибели (помимо естественной смерти) может послужить удар о поверхность воды или о дно и стенки емкости, а если емкость очень глубокая, антипузырь станет погружаться до тех пор, пока его не раздавит возросшее гидростатическое давление.
Попробуем представить себе, как может лопнуть мыльный антипузырь. Обычный пузырь самопроизвольно лопается в самой верхней точке, где слой жидкости в результате действия гравитации наиболее тонок. В антипузыре все происходит наоборот: под действием гидростатического давления газ, содержащийся в оболочке, постепенно поднимается кверху, так что пленка оказывается наиболее тонкой и уязвимой в своей самой нижней точке. Такое распределение толщины вдоль пленки приводит к тому, что в обычном пузыре интерференционные (радужные) кольца наблюдаются в верхней части пузыря, где пленка наиболее тонка (порядка длины волны света), а в антипузыре - в нижней части. Когда обычный пузырь лопается, от него остается капля жидкости, которая падает в воздухе. Антипузырь оставляет после себя маленький пузырек воздуха, который поднимается в жидкости. Недавно бельгийские физики из Льежского университета провели серию экспериментов по изучению формирования и схлопывания антипузырей при помощи высокоскоростной киносъемки. Исследования доказали, что они действительно лопаются в самой нижней точке, если только не проткнуть их в другом месте. Оказалось, что сразу после разрыва и схлопывания воздушной оболочки жидкость внутри антипузыря оказывается в динамически неустойчивом состоянии, в результате чего закручивается в вихри и лишь потом постепенно перемешивается с окружающей жидкостью.
В чем причина нестабильности антипузырей? Воздушная оболочка антипузыря сдавлена с двух сторон жидкостью, молекулы которой притягиваются друг к другу силами молекулярного взаимодей ствия (силами Ван-дер-Ваальса). Сравнительно небольшое количество молекул газа, содержащееся в оболочке, не может долго противостоять этому натиску, особенно в нижней части пузыря, где молекул газа меньше. Скорость перемещения молекул газа в верхнюю часть оболочки и определяет в большой степени время жизни антипузыря.
Антипузыри на службе прогресса
В последние годы антипузыри перестают быть только забавой для детей и физиков-любителей. Ими заинтересовались и серьезные исследователи. Пока одни исследователи пытаются устранить многочисленные белые пятна в физике антипузырей, другие уже придумывают для них всевозможные способы практического использования. Наибольший интерес вызывает создание крупных скоплений антипузырей - так называемой антипены.
Ученые полагают, что антипена может найти самое неожиданное применение, например в качестве смазочного материала - что-то вроде шарикоподшипников из мыла, воды и воздуха. Воздушные оболочки антипузырей в антипене образуют целую сеть тончайших коридоров, которую можно использовать, скажем, для фильтрации воздуха и различных газов.
Идей много, но проверить их на практике пока не удается, так как никто еще не смог получить достаточное для исследований количество антипены. Создать антипену больше чем из пяти-шести антипузырей очень трудно: пока "выдуваются" последующие, предыдущие успевают лопнуть. Исследователь из Бразилии Альберто Тифайли (Alberto Tufaile) утверждает, что смог изготовить скопление из 50-60 антипузырей, которое, впрочем, тоже быстро полопалось. Недолговечность антипузырей - главное препятствие на пути создания и использования антипены.
Но антипена - это еще не все. Отдельные антипузыри также могут найти промышленное применение в различных химических процессах - например, вместо обычных пузырьков. Газ, заключенный в антипузыре, взаимодействует с жидкостью через поверхность вдвое большую по сравнению с обычным пузырем. Кроме того, взаимодействие может быть гораздо более длительным благодаря медленному всплыванию антипузырей. Эти свойства незаменимы в процессах очистки дымовых загрязнений, при изготовлении химикатов и лекарств.
Крупные антипузыри могут оказаться удобным объектом научных исследований различных нелинейных процессов. Неустойчивости, наблюдаемые при схлопывании антипузырей в результате прокола, характерны и для многих других физических систем, например сверхновых звезд.
Замена воздуха в оболочке антипузыря жидкостью открывает новые возможности. Французским и бельгийским ученым удалось изготовить плавающую в воде водяную глобулу в масляной оболочке. Конструкция оказалась столь стабильной, что ученые уже получили что-то вроде маслянистой антипены, свойства которой им еще предстоит изучить. Альберто Тифайли смог приготовить масляные глобулы, покрытые слоем спирта и окруженные маслом. Подобные полностью жидкие структуры могут быть использованы при изготовлении лекарственных средств. Если, например, взять в качестве оболочки вещества, способные полимеризоваться и твердеть под действием ультрафиолета, а внутрь поместить лекарственный раствор, то после облучения получится готовая капсула с лекарством.
Время покажет, будут эти идеи действительно плодотворными или лопнут, как раздутый мыльный пузырь, вернее - антипузырь.
По материалам журнала "Science News", интернет-сайтов http://www.antibubbles.org; http://hot-streamer.com/antibubbles; http://www.jtan.com/antibubble/; http://www.eskimo.com/~billb/amateur/antibub/antibub1.html
Литература
Г е г у з и н Я. Е. Пузыри. - М.: Наука, 1985.
Г е г у з и н Я. Е. Капля. - М.: Наука, 1973.
П а в л о в-В е р е в к и н Б. С. Мыльные антипузыри. - "Химия и жизнь", 1966, № 11.
Иллюстрация «Так возникают антипузыри.»
Так возникают антипузыри. Поверхности воды и капли покрыты молекулами поверхностно-активного вещества, обращенными гидрофобными концами наружу. Падающая капля увлекает за собой тонкий слой воздуха; вокруг него смыкается изогнутая поверхность воды, образуя сферическую воздушную пленку - антипузырь.
Читайте в любое время
