Uno studio ispirato da artisti di strada che realizzano gigantesche bolle di sapone ha portato a una scoperta nella meccanica dei fluidi:la miscelazione di polimeri di diverse dimensioni molecolari all'interno di una soluzione aumenta la capacità di un film sottile di allungarsi senza rompersi.

Il giornale Fluidi per la revisione fisica ha pubblicato i risultati dello studio dei fisici della Emory University. I risultati potrebbero potenzialmente portare a processi di miglioramento come il flusso degli oli attraverso i tubi industriali e l'eliminazione delle schiume inquinanti nei torrenti e nei fiumi.

I risultati hanno anche implicazioni per gli appassionati di bolle di sapone.

"Questo studio mette sicuramente il divertimento nella scienza fondamentale, "dice Justin Burton, professore associato di fisica alla Emory University e autore senior del documento.

La fluidodinamica è uno dei focus del laboratorio di Burton. "I processi della fluidodinamica sono visivamente belli e sono ovunque sul nostro pianeta, dalla formazione e rottura di goccioline e bolle all'aerodinamica degli aeroplani e al ribaltamento in acque profonde degli oceani del mondo, " lui dice.

Mentre Burton era a Barcellona per una conferenza qualche anno fa, gli è capitato di vedere artisti di strada fare enormi bolle usando una soluzione di sapone e uno spesso filo di cotone. "Queste bolle avevano circa il diametro di un hula hoop e lunghe quanto una macchina, " ricorda. "Erano anche belli, con variazioni di colore dal rosso al verde fino ai toni bluastri sulla loro superficie."

Questo effetto arcobaleno mostra che lo spessore di un film è paragonabile alla lunghezza d'onda della luce, o solo pochi micron, lui spiega.

Guardare la performance ha suscitato una domanda di fisica nella mente di Burton:come potrebbe una pellicola così microscopicamente sottile mantenere la sua integrità su una distanza così grande senza rompersi? Ha iniziato a indagare, sia nel suo cortile che nel suo laboratorio.

Mentre Burton ricercava le ricette per le bolle, si è imbattuto nella Wiki delle bolle di sapone, un in linea, progetto open-source. La wiki afferma che mira ad aiutare i "bollenti" a creare "la bolla perfetta" separando i fatti dal folklore riguardo alle ricette e agli ingredienti per fare le bolle di sapone.

Oltre all'acqua e al detersivo per piatti, le ricette di Soap Bubble Wiki di solito includevano un polimero, una sostanza costituita da lunghe catene di molecole ripetute. I polimeri più comuni nelle ricette erano guar naturale, una polvere usata come additivo in alcuni alimenti, o glicole polietilenico industriale (PEO), un lubrificante utilizzato in alcuni medicinali. Guidato dalle raccomandazioni del wiki, Burton ha condotto esperimenti di laboratorio insieme a due studenti coautori che si sono poi laureati:Stephen Frazier, che ha conseguito un master in fisica a maggio ed è primo autore, e lo studente universitario Xinyi Jiang.

"In pratica abbiamo iniziato a fare le bolle e a farle scoppiare, e ha registrato la velocità e la dinamica di quel processo, " Dice Burton. "Concentrarsi su un fluido nei suoi momenti più violenti può dirti molto sulla sua fisica sottostante".

Le pellicole di sapone assorbono la luce infrarossa, così i ricercatori lo hanno fatto passare attraverso le bolle per misurare lo spessore dei film. Hanno anche misurato i pesi molecolari dei diversi polimeri utilizzati nelle ricette delle bolle. E hanno lasciato che la gravità tirasse via le goccioline delle varie pellicole di sapone da un ugello, per misurare per quanto tempo il filo di liquido risultante potrebbe allungarsi tra l'ugello e la goccia prima di rompersi.

I risultati hanno rivelato che i polimeri erano l'ingrediente chiave per creare bolle colossali. Il lungo, filamenti fibrosi di polimeri consentono alle bolle di fluire uniformemente e di allungarsi ulteriormente senza scoppiare.

"I fili di polimero si impigliano, qualcosa come una palla di pelo, formando ciocche più lunghe che non si vogliono spezzare, "Spiega Burton. "Nella giusta combinazione, un polimero consente a una pellicola di sapone di raggiungere un "punto debole" che è viscoso ma anche elastico, ma non così elastico da strapparsi".

Il lavoro conferma ciò che molti esperti "bollenti" avevano già capito:una buona ricetta per bolle di sapone giganti dovrebbe includere un polimero.

"Abbiamo fatto la fisica per spiegare perché e come i polimeri possono far allungare un film fluido fino a 100 metri quadrati senza rompersi, "dice Burton.

I fisici hanno anche scoperto che la variazione delle dimensioni molecolari dei polimeri aiuta a rafforzare la pellicola di sapone. Quella scoperta è avvenuta per caso.

I ricercatori hanno lavorato al progetto per più di un anno e hanno immagazzinato alcuni contenitori di PEO che avevano acquistato. Si sono resi conto che il PEO proveniente da contenitori invecchiati di circa sei mesi produceva film a bolle di sapone più resistenti rispetto al PEO dei contenitori utilizzati al momento dell'acquisto. Al momento dell'indagine, si sono resi conto che i polimeri nel PEO invecchiato si erano degradati nel tempo, variando la lunghezza dei filamenti molecolari.

"I polimeri di diverse dimensioni diventano ancora più impigliati rispetto ai polimeri di dimensioni singole, rafforzando l'elasticità del film, " Dice Burton. "Questa è una scoperta fondamentale della fisica".

Comprendere come i fluidi e i film sottili rispondono allo stress, Burton dice, potrebbe portare a una serie di applicazioni, come migliorare il flusso di materiali industriali attraverso i tubi, o la pulizia di schiume tossiche.

"Come per tutte le ricerche fondamentali, devi seguire il tuo istinto e il tuo cuore, " Burton dice della sua odissea con le bolle di sapone. "A volte la tua bolla scoppia, ma in questo caso, abbiamo scoperto qualcosa di interessante".