Американские физики узнали причину замерзания мыльных пузырей
Мыльный пузырь образуется за счет особого строения молекул мыла или иного поверхностно активного вещества (ПАВ). Эти вещества устроены так, что их молекулы с одной стороны хорошо притягиваются к воде (проявляют гидрофильные свойства) и при этом их другая сторона, напротив, стремится отодвинутся от воды на возможно большее расстояние (гидрофобные свойства). Молекулы поверхностно-активных веществ могут сформировать пузырь с двойными стенками и водой между ними. При этом гидрофобные концы молекул тогда смотрят наружу, а гидрофильные обращены внутрь, в заполненный водой тонкий слой. Толщина стенки мыльного пузыря не превышает одного микрометра, иногда она бывает и на порядок тоньше, десятки нанометров (0,01 мкм) — и, с точки зрения физики, заключенная внутри стенки пузыря вода образует практически двумерную поверхность.
Эта двумерность играет ключевую роль в одном из двух возможных сценариев замерзания пузыря. Если он окружен холодным воздухом, то вода в стенке начинает замерзать, но ее кристаллики не остаются на месте, а уходят в сторону за счет эффекта Марагони. Так, в честь описавшего его итальянского физика, называют течение, возникающее из-за разности сил поверхностного натяжения. Оно растаскивает кристаллики льда, и пузырь начинает замерзать одновременно в нескольких местах. В морозильной камере с температурой –25 °С пузырь замерз и остыл до температуры окружающей среды меньше, чем за полминуты. Определить это удалось при помощи показывающего температуру предметов тепловизора.
Другой случай, который изучили физики — замерзание при комнатной температуре воздуха и контакте с холодной поверхностью. Взяв элемент Пельтье (полупроводниковый прибор, который при пропускании тока с одной из сторон сильно охлаждается), ученые увидели, как стенка пузыря начинает медленно замерзать в месте контакта с холодом и потом постепенно превращается в лед целиком. Замерзание проходило за счет теплопроводности стенок, и это оказался намного менее стремительный процесс: даже небольшой, около сантиметра в диаметре, пузырь через полминуты замерзал от силы на треть от всей поверхности. Более того, спустя десять минут верхушка пузыря оставалась комнатной температуры — что логично, если учесть низкую теплопроводность очень тонкой стенки.
Вода внутри стенки мыльного пузыря в сценарии с охлажденной до –40 °С пластиной играла роль «мостика холода» — объекта, по которому распространяется тепло или (что то же самое) холод. Пленка толщиной в сотни нанометров не может пропускать очень большой тепловой поток, поэтому еще не замерзшая часть пузыря теряла через нее тепло очень медленно. А вот вопрос, почему при замерзании пузыря на морозном воздухе возникает эффект Марагони, потребовал от ученых отдельных изысканий.
Исследователи последовательно перебрали несколько версий. Эффект Марагони связан с силами поверхностного натяжения, которые, в свою очередь, зависят от температуры (чем выше, тем эти силы меньше), а лед при замерзании выделяет тепло. Эти два факта позволили ученым найти разгадку. Когда в каком-то месте появляется снежинка, вода вокруг уже остыла ниже точки замерзания и стала переохлажденной жидкостью. Но ее превращение в лед выделяет тепло, повышает температуру и, следовательно, создает локальный разогретый участок. Там, где есть разница температур, там возникает и разность сил поверхностного натяжения, и эффект Марагони.
Подытожив результаты своих опытов, авторы исследования также построили диаграмму зависимости режима замерзания мыльного пузыря от температуры извне и температуры раствора, из которого пузырь выдувается. При нагреве свыше определенной (зависящей от состава) отметки пузыри не замерзают в принципе, при теплом воздухе вокруг они могут застыть только вблизи контакта с холодной поверхностью. Если же вынести их на морозный (ниже температуры замерзания раствора) воздух, в пузярых возможен эффектный и занимающий считанные секунды рост кристаллов.
На вопрос о том, зачем потребовалось изучать пузыри, физики отвечают так: это красиво, и не только с точки зрения внешнего вида замерзающего мыльного пузыря. Стоящая за явлением физика (то, что скрытая теплота кристаллизации расталкивает растущие кристаллы) тоже оказалась достаточно нетривиальной и, как указывают исследователи, долгое время ученым не удавалось найти детального объяснения феномена.
