La chimie derrière la fabrication d'une bulle de savon géante qui bat tous les records

Une bulle;e Pexels

Le 20 juillet 2015, Gary Pearlman et un petit groupe de passionnés se sont réunis dans un parc à Cleveland, Ohio, pour une tentative de record du monde. L'objectif : créer la plus grande bulle de savon flottante de l'histoire.

L'équipement de Pearlman consistait en une paire de cannes à pêche avec une ficelle attachée entre elles. Il a plongé la ficelle dans un mélange spécial d'eau, de savon et d'additifs polymères et l'a soulevée dans les airs. Cela a soulevé la solution, créant une fine feuille de film savonneux. Alors que Pearlman agitait les tiges, le mouvement de l'air étirait et étendait le film savonneux, formant une bulle géante.

Dans le même temps, des observateurs indépendants ont photographié la bulle sous différents angles afin de pouvoir calculer son volume. Il s'est avéré être de 96,27 mètres cubes (3 399,74 pieds cubes) - le plus grand jamais mesuré. Ce jour-là, Pearlman a légitimement pris sa place dans le livre Guinness des records

Au panthéon des réalisations scientifiques, la création de bulles de savon géantes est malheureusement sous-estimée. Et pourtant, il pose un ensemble d'énigmes qui ont fasciné Stephen Frazier et ses collègues de l'Université Emory d'Atlanta.

Ils soulignent qu'une bulle est constituée d'un film fragile de quelques micromètres d'épaisseur seulement, et pourtant le géant recordman de Pearlman devait avoir une surface de plus de 100 mètres carrés. Un seul trou peut faire éclater la bulle. Comment sont créés de si grands films et comment restent-ils stables ? demandez à Frazier et co.

Aujourd'hui, l'équipe apporte quelques éléments de réponse. Ces gars ont étudié les propriétés des films de savon et comment ils changent lorsque des polymères de différents types sont ajoutés. Les résultats fournissent un aperçu unique de la science de la formation des bulles et des conditions atmosphériques les plus favorables aux tentatives de record du monde.

Tout d'abord un peu de contexte. Les amateurs de bulles discutent depuis longtemps des meilleurs mélanges pour leur art. Pour ceux qui s'intéressent à la fabrication de bulles géantes, le Wiki Bulle de savon contient une mine d'informations empiriques et de recettes pour des solutions de bulles optimales, disent Frazier et co.

Le consensus est que les meilleurs mélanges de bulles contiennent de l'eau, un détergent sous forme de liquide vaisselle (Dawn Pro semble être le préféré), et un mélange de polymères, des molécules en forme de longue chaîne qui augmentent la viscosité du fluide. Les polymères préférés sont l'oxyde de polyéthylène (également appelé polyéthylène glycol), souvent utilisé dans les crèmes pour la peau, et la gomme de guar, un épaississant alimentaire courant extrait des graines de guar.

Les polymères sont importants. Le Soap Bubble Wiki déclare qu'il est presque impossible de faire des bulles géantes sans elles. Mais ce qu'ils font exactement est mal compris. Le rôle précis que jouent les polymères est un peu mystérieux, dit le wiki.

Entrez Frazier et co, qui étudient certaines des propriétés que les polymères confèrent aux mélanges de bulles. Nous identifions certains des mécanismes physiques sous-jacents qui donnent naissance à des bulles géantes, disent-ils.

Leur méthode est simple. Ils créent une gamme de mélanges à base d'eau, de Dawn Pro et de diverses concentrations de gomme de guar ou d'oxyde de polyéthylène. Et ils étudient les propriétés de ces fluides de deux manières différentes.

Tout d'abord, ils effectuent un test de goutte à goutte dans lequel une gouttelette se forme puis tombe d'une pipette. Ils filment ce processus à l'aide d'une caméra à grande vitesse. Ils étudient notamment comment, au moment où une goutte tombe, un fil se forme entre la goutte et la pipette.

Ils créent également une feuille de film à l'aide d'une ficelle trempée dans le fluide. Ils utilisent un capteur infrarouge pour mesurer l'épaisseur de ce film, comment il change avant que la feuille n'éclate et comment les polymères peuvent prolonger cette durée de vie.

Les résultats rendent la lecture intéressante. Les solutions de bullage les plus robustes sont celles qui permettent de tirer le fil de liaison en continu sans casser. il est facile d'imaginer que l'ajout de polymères avec des chaînes plus longues à des concentrations toujours croissantes est la meilleure façon d'y parvenir.

Mais Frazier et co disent que les résultats ne supportent pas cela. Les solutions les plus robustes pour faire des bulles ont des concentrations intermédiaires et un mélange de polymères de différents poids moléculaires, permettant à un grand volume de liquide d'être continuellement aspiré dans un film sans se casser, disent-ils.

Ils le montrent en ajoutant de l'oxyde de polyéthylène qui avait été intentionnellement dégradé au soleil pendant six mois. Dans le processus, la lumière du soleil aurait décomposé les molécules en chaînes plus courtes, créant un mélange de différentes longueurs. Cela s'avère créer la solution la plus robuste.

Exactement pourquoi cela fonctionne est un casse-tête. Frazier et co émettent l'hypothèse que les chaînes plus courtes agissent comme des liens entre les polymères les plus longs et les plus grands en solution. À notre connaissance, les preuves de ce comportement n'ont pas été rapportées dans la littérature et sont laissées pour de futures études axées sur la rhéologie extensionnelle, disent-ils.

La recherche met également en lumière les conditions atmosphériques les mieux adaptées à la fabrication de bulles géantes. Un facteur clé est la longévité du film savonneux : les films à durée de vie plus longue permettent des bulles plus grosses.

Les additifs polymères augmentent la longévité, mais personne ne sait vraiment pourquoi. Une possibilité est qu'ils rendent les films plus épais. Une autre est que les polymères empêchent l'eau de s'écouler du film et prolongent ainsi sa durée de vie.

Frazier et co ont acquis un aperçu de cette énigme. Ils disent qu'un facteur clé dans le renforcement du film est la concentration de polymère à l'intérieur de celui-ci, et celle-ci augmente à mesure que l'eau est éliminée. Cependant, si trop d'eau est éliminée, le film devient trop mince et se brise. Il y a donc un équilibre prudent au travail.

Deux facteurs peuvent éliminer l'eau. Le premier est la gravité, qui draine l'eau du film savonneux. La seconde est l'évaporation, qui est importante en raison de la grande surface du film.

Frazier et co disent que l'augmentation de l'humidité dans leurs expériences augmente également la durée de vie des bulles. Cela suggère que l'évaporation doit être minimisée pour éviter que le film ne devienne trop mince. Il n'est pas étonnant que de nombreux amateurs de bulles préfèrent les journées d'été chaudes et humides pour faire les plus grosses bulles, disent-ils.

C'est un travail intéressant qui jette un nouvel éclairage sur la physique des couches minces. Il révèle également un effet jusque-là inconnu dans la manière dont les polymères de différentes longueurs interagissent pour augmenter la résistance d'un film. C'est un effet qui doit être étudié plus en détail.

C'est aussi un travail que Gary Pearlman pourrait trouver utile s'il essayait de battre son record du monde à l'avenir.

Réf : arxiv.org/abs/1908.00537 : Comment faire une bulle géante

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