מחקר חדש מראה שבועות סבון קופאות בדרכים מעניינות, ומרהיבות, במיוחד
כילדים, מי מאיתנו לא נהנה להפריח בועות סבון, לפוצץ אותן, להקפיא אותן, או לנסות לשחק איתן כך שלא יתפוצצו? רגע... להקפיא בועות סבון? נכון, רוב הילדים כנראה לא חושבים על הרעיון הזה, אך מסתבר שהנושא מעניין לא מעט פיזיקאים רציניים. למעשה, בועות סבון העסיקו פיזיקאים רבים וטובים לאורך ההיסטוריה, ביניהם אייזיק ניוטון (Newton), פייר-ז'יל דה ז'אן (de Gennes) וז'וזף פלאטו (Plateau). מדענים ומהנדסים חקרו בין השאר את דרך היווצרותן של בועות הסבון, יחסי הגומלין שלהן עם משטחים, האידוי שלהן ואופן פיצוצן, והתובנות שעלו ממחקרים אלו שימשו בפיתוח יישומים בתחומים כגון קצירת אנרגיה (energy harvesting), נשיאת תרופות (drug delivery), ותכשירי ניקוי. אך למרות השנים הרבות של חקר בועות סבון, מעולם לא נעשה מחקר מסודר על קיפאון שלהן.
בועות סבון מורכבות מגז או תערובת גזים אשר כלואים בתוך מעטפת דקה העשויה מסבון ומים. למעטפת הסבון והמים יש מבנה מיוחד שנובע מהתכונות הכימיות של מולקולת הסבון. מולקולה זו בנויה משני חלקים – חלק הידרופילי, כלומר "אוהב מים", וחלק הידרופובי, כלומר "שונא מים". המבנה שנוצר כתוצאה מכך שהחלק ההידרופילי רוצה להתקרב אל המים בעוד שהחלק ההידרופובי רוצה לברוח הוא מעין סנדוויץ' עגול – שכבת מים בעובי של כמיקרון (מיליונית המטר), מוקפת משני צדדיה בשכבות של מולקולות סבון אשר החלק ההידרופילי שלהן פונה לעבר המים והחלק ההידרופובי פונה לאוויר.
קרום הבועה בנוי כמעין סנדוויץ עגול, של מולקולות מים בין שתי מולקולות סבון
כדור שלג מתערבל
קבוצת מדענים מארצות הברית פרסמה לאחרונה מאמר בירחון Nature Communications ובו הם מתארים כיצד קופאות בועות סבון. החוקרים בדקו שתי צורות של הקפאה – קירור אחיד של הבועה לטמפרטורה נמוכה בהרבה מנקודת הקיפאון שלה, לעומת קירור של תחתית הבועה תוך כדי השארת יתר הבועה בטמפרטורת החדר. כדי לשלוט בנפח בועות הסבון, הם יצרו אותן בעזרת מזרק. לאחר יצירת הבועה הם הזיזו אותה כך שתיגע במשטח שקורר מבעוד מועד לטמפרטורה נמוכה מטמפרטורת הקיפאון של הבועה, ואז עקבו אחר תהליך הקיפאון באמצעות מצלמה עם הגדלה גבוהה, מיקרוסקופ אופטי, ומצלמת אינפרא אדום למעקב אחרי התפלגות הטמפרטורות בבועה.
הקפאה, או קיפאון, הוא תהליך שבו נוזל משנה את מצב צבירתו למוצק. מולקולות הנוזל, אשר בטמפרטורת החדר נעות אחת ביחס לשניה ומתנגשות זו בזו, הולכות ומאטות ככל שמורידים את הטמפרטורה עד שהן יוצרות מבנה סטטי למדי, בו המולקולות נשארות פחות או יותר במקומן (הן עדיין רוטטות בכל טמפרטורה גבוהה מהאפס המוחלט). במהלך תהליך הקיפאון משתחרר חום, שנקרא חום כמוס, ונוצר כתוצאה מהקשרים הכימיים החדשים בין המולקולות שעברו ממצב צבירה נוזלי למצב צבירה מוצק.
החוקרים מצאו שכאשר מקררים את כל בועת הסבון באופן אחיד לאותה טמפרטורה, נוצרת בהתחלה חזית קיפאון אחידה, אך כעבור זמן קצר מאוד מופיעים זרמים שגורמים לפירוק החזית למאות גבישי קרח קטנים, שמתערבלים על פני הבועה במחזה מרהיב שמזכיר קישוט של כדור שלג (Snow globe). גבישי הקרח הקטנים הולכים וגדלים עד שהבועה כולה קופאת.
כאשר מקפיאים רק את תחתית הבועה בעוד שיתר הבועה נמצא בטמפרטורת החדר, הקיפאון מתחיל כצפוי בחזית אחידה מלמטה עד לשלב שבו חזית הקיפאון לא מצליחה להתקדם יותר. נוצר מצב יציב לכמה שניות, בו החלק התחתון של הבועה קפוא ואילו החלק העליון נשאר נוזלי, עד שבשלב כלשהו אוויר נכנס דרך נקבוביות בקרח והבועה מתמוטטת.
בועה קופאת באופן אחיד:
בועה קופאת על משטח מקורר:
