فقاعات الصابون

لا تقتصر هياكل أغشية الصابون على الكرات فحسب، بل يمكن تشكيلها بأي شكل تقريبًا، كالهياكل السلكية على سبيل المثال. ولذلك، يُمكن تصميم العديد من الأسطح الدنيا المختلفة. وفي بعض الأحيان، يكون تصنيعها عمليًا أسهل من حسابها باستخدام النمذجة الرياضية . ولهذا السبب، يُمكن اعتبار أغشية الصابون بمثابة حواسيب تناظرية تتفوق على الحواسيب التقليدية، وذلك بحسب مدى تعقيد النظام. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

عندما تندمج فقاعتان، تتخذان شكلاً يجعل مجموع مساحتي سطحيهما أصغر ما يمكن، بما يتناسب مع حجم الهواء الذي تحتويه كل فقاعة. إذا كانت الفقاعتان متساويتين في الحجم، يكون جدارهما المشترك مسطحاً. أما إذا كانتا مختلفتين في الحجم، فإن جدارهما المشترك ينتفخ باتجاه الفقاعة الأكبر، لأن الضغط الداخلي في الفقاعة الأصغر أعلى من الضغط الداخلي في الفقاعة الأكبر، كما تنبأت بذلك معادلة يونغ-لابلاس .

عند نقطة التقاء ثلاث فقاعات أو أكثر، تتوزع الفقاعات بحيث تلتقي ثلاث جدران فقاعية فقط على خط مستقيم. وبما أن التوتر السطحي متساوٍ في كل سطح من الأسطح الثلاثة، فإن الزوايا الثلاث بينها يجب أن تساوي 120 درجة. لا يمكن أن تلتقي سوى أربع جدران فقاعية في نقطة واحدة، وتفصل بين الخطوط التي تلتقي فيها ثلاث جدران فقاعية زاوية تقارب 109.47 درجة (cos ⁻¹ (−1/3)). تُعرف هذه القواعد مجتمعة بقوانين بلاتو ، وهي التي تحدد كيفية تكوّن الرغوة من الفقاعات.

يُحدَّد عمر فقاعة الصابون بسهولة تمزق طبقة الماء الرقيقة جدًا التي تُشكِّل سطحها، وهي عبارة عن غشاء صابوني بسمك ميكرومتر واحد . ولذلك فهي حساسة لما يلي : 

• التصريف داخل غشاء الصابون: يتساقط الماء بفعل الجاذبية. يمكن إبطاء هذه العملية بزيادة لزوجة الماء، مثلاً بإضافة الجلسرين. مع ذلك، هناك حد أقصى للارتفاع، وهو طول الخاصية الشعرية ، وهو مرتفع جداً بالنسبة لفقاعات الصابون: حوالي 4 أمتار. من حيث المبدأ، لا يوجد حد أقصى للطول الذي يمكن أن تصل إليه.
• التبخر : يمكن إبطاء هذه العملية عن طريق نفخ الفقاعات في جو رطب، أو عن طريق إضافة بعض السكر إلى الماء.
• الأوساخ والدهون: عندما تلامس الفقاعة جسماً ما، فإنها عادةً ما تمزق طبقة الصابون. ويمكن منع ذلك بترطيب هذه الأسطح بالماء (ويُفضل أن يحتوي على بعض الصابون).

بعد إجراء التجارب، وجد الباحثون أن محلولاً يحتوي على:

• 85.9  % ماء
• 10  % جلسرين
• 4  % سائل غسيل الأطباق
• 0.1  % صمغ الغوار

أعطت نتائج تدوم لأطول فترة ممكنة لأنها قللت من تأثير مارانغوني . ^{[ 6 ]}

عند ملامسة فقاعة الصابون لسطح صلب أو سائل، تُلاحظ ظاهرة التبلل . على سطح صلب، تعتمد زاوية التلامس للفقاعة على طاقة سطح المادة الصلبة. ^{[ 7 ] [ 8 ]} تتميز فقاعة الصابون بزاوية تلامس أكبر على سطح صلب ذي خاصية كراهية الماء الفائقة مقارنةً بسطح محب للماء - انظر التبلل . أما على سطح سائل، فتعتمد زاوية التلامس لفقاعة الصابون على حجمها، حيث تتميز الفقاعات الأصغر بزوايا تلامس أصغر. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

• 
  فقاعة صابون تبلل سطحًا شديد الكراهية للماء
• 
  فقاعة صابون تبلل سطح سائل

الغلاف السائل لفقاعة الصابون أثقل من الهواء. ومع ذلك، يحتوي الغاز داخل الفقاعة عادةً على بخار ماء أكثر من الهواء المحيط. بخار الماء أقل كثافة من الهواء الجاف ، مما قد يمنح الفقاعة قوة طفو. ويمكن زيادة هذه القوة باستخدام سائل دافئ، حيث يؤدي ذلك إلى رفع درجة حرارة الغاز داخل الفقاعة وبالتالي تقليل كثافته.

استُخدمت فقاعات الصابون كوسيلة ترفيه لما لا يقل عن 400 عام، كما يتضح من لوحات فلامنكية من القرن السابع عشر تُظهر أطفالًا ينفخون الفقاعات بأنابيب طينية. ابتكرت شركة A. & F. Pears ، ومقرها لندن ، حملة إعلانية شهيرة لصابونها عام 1886 باستخدام لوحة للفنان جون إيفريت ميليس تُصوّر طفلًا يلعب بالفقاعات. بدأت شركة Chemtoy، ومقرها شيكاغو، ببيع محلول الفقاعات في أربعينيات القرن العشرين، ومنذ ذلك الحين، لاقى هذا المحلول رواجًا كبيرًا بين الأطفال. ووفقًا لتقديرات إحدى الشركات العاملة في هذا المجال، يبيع تجار التجزئة حوالي 200 مليون زجاجة سنويًا. ويُستخدم سائل غسل الأطباق المُضاف إليه الماء ومكونات أخرى مثل الجلسرين والسكر كبديل شائع لمحلول الفقاعات الجاهز. ^{[ 11 ]}

• 
  نفخ الفقاعات من خلال عصا صغيرة
• 
  امرأة تصنع فقاعات باستخدام عصا طويلة لصنع فقاعات الصابون
• 
  أدريان هانيمان ، صبيان ينفخان الفقاعات ( حوالي 1630 )
• 
  جان بابتيست سيميون شاردان ، فقاعات الصابون ( ج. 1734 )

تتكون الفقاعة من ماء شفاف يحيط بهواء شفاف. ومع ذلك، فإن طبقة الصابون رقيقة للغاية، لا تتجاوز طول موجة الضوء المرئي ، مما يؤدي إلى تداخل بصري . ينتج عن ذلك بريق قزحي ، يُضفي، إلى جانب الشكل الكروي للفقاعة وهشاشتها، سحرًا خاصًا على الأطفال والكبار على حد سواء. كل لون ناتج عن اختلاف سماكة طبقة الصابون في الفقاعة. وقد شبّه توم نودي (الذي ظهر في الحلقة الثانية من مسلسل " الشفرة " لماركوس دو سوتوي ) الأمر بالنظر إلى خريطة كنتورية لسطح الفقاعات. مع ذلك، أصبح إنتاج فقاعات ملونة صناعيًا تحديًا كبيرًا.

ابتكر بايرون وميلودي وإينوك سويتلاند فقاعة غير سامة حاصلة على براءة اختراع (تكنو بابلز) ^{[ 12 ]} تتوهج تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية. تبدو هذه الفقاعات كفقاعات شفافة عالية الجودة تحت الإضاءة العادية، لكنها تتوهج عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية. وكلما زادت شدة ضوء الأشعة فوق البنفسجية، زاد توهجها. باعت العائلة هذه الفقاعات في جميع أنحاء العالم، لكنها باعت شركتها لاحقًا.

لا تُنتج إضافة صبغة ملونة إلى مزيج الفقاعات فقاعات ملونة، لأن الصبغة تلتصق بجزيئات الماء بدلاً من المادة الفعالة سطحياً. لذلك، تتشكل فقاعة عديمة اللون مع سقوط الصبغة في نقطة واحدة عند القاعدة. وقد طوّر كيميائي الأصباغ، الدكتور رام سابنيس، صبغة لاكتون تلتصق بالمواد الفعالة سطحياً، مما يسمح بتكوين فقاعات زاهية الألوان. ومن الأمثلة على ذلك لاكتون البنفسجي البلوري . كما اخترع رجل آخر يُدعى تيم كيهو فقاعة ملونة تفقد لونها عند تعرضها للضغط أو الأكسجين، وهو يُسوّقها الآن عبر الإنترنت تحت اسم " زوبلز" ، وهي غير سامة ولا تُلطّخ الملابس. وفي عام 2010، أثبتت رائدة الفضاء اليابانية ناوكو يامازاكي إمكانية تكوين فقاعات ملونة في بيئة انعدام الجاذبية . والسبب هو أن جزيئات الماء تنتشر بالتساوي حول الفقاعة في بيئة انعدام الجاذبية.

إذا نُفخت فقاعات الصابون في هواء تقل درجة حرارته عن -15 درجة مئوية (5 درجات فهرنهايت ) ، فإنها تتجمد عند ملامستها أي سطح . ويتسرب الهواء الموجود بداخلها تدريجيًا إلى الخارج، مما يؤدي إلى تفتت الفقاعة تحت وطأة وزنها. عند درجات حرارة أقل من -25 درجة مئوية (-13 درجة فهرنهايت) ، تتجمد الفقاعات في الهواء وقد تتحطم عند اصطدامها بالأرض. عند نفخ فقاعة بهواء دافئ، تتجمد الفقاعة في البداية لتصبح كروية الشكل تقريبًا، ولكن عندما يبرد الهواء الدافئ ويقل حجمها، يحدث انهيار جزئي للفقاعة. الفقاعة التي تتكون بنجاح عند هذه الدرجة المنخفضة من الحرارة تكون دائمًا صغيرة الحجم؛ تتجمد بسرعة وتتحطم إذا زادت درجة حرارتها. ^{[ 13 ]} يحدث تجمد فقاعات الصابون الصغيرة في غضون ثانيتين من استقرارها على الثلج (عند درجة حرارة هواء تتراوح بين -10 و-14 درجة مئوية). ^{[ 14 ]}