Войти
Мыльные пленки - это тонкие слои жидкости ( обычно на водной основе) в окружении воздуха. Например, если два мыльных пузыря соприкасаются, они сливаются, и между ними образуется тонкая пленка. Таким образом, пены состоят из сети пленок, соединенных границами плато. Мыльные пленки можно использовать в качестве модельных систем для минимальных поверхностей, которые широко используются в математике.
Рисунок 1: Структура поверхностно-активных веществ на обеих поверхностях мыльной пленки 
Рисунок 2: Поверхностные силы Марангони из-за неоднородности концентрации поверхностно-активных веществ. Стрелки представляют направление силы. Ежедневный опыт показывает, что образование мыльных пузырей невозможно с водой или с какой-либо чистой жидкостью. Фактически, присутствие мыла, которое в молекулярном масштабе состоит из поверхностно-активных веществ, необходимо для стабилизации пленки. В большинстве случаев поверхностно-активные вещества являются амфифильными, что означает, что они представляют собой молекулы с гидрофобной и гидрофильной частью. Таким образом, они расположены предпочтительно на границе раздела воздух / вода (см. Рисунок 1).
Поверхностно-активные вещества стабилизируют пленки, поскольку они создают отталкивание между обеими поверхностями пленки, предотвращая ее истончение и, как следствие, разрыв. Количественно это можно показать с помощью расчетов, относящихся к расклинивающему давлению. Основными механизмами отталкивания являются стерические (поверхностно-активные вещества не могут сплетаться) и электростатический (если поверхностно-активные вещества заряжены).
Кроме того, поверхностно-активные вещества делают пленку более устойчивой к колебаниям толщины из-за эффекта Марангони. Это придает некоторую эластичность границе раздела: если поверхностные концентрации неравномерно распределены на поверхности, силы Марангони будут стремиться повторно гомогенизировать поверхностную концентрацию (см. Рисунок 2).
Даже в присутствии стабилизирующих поверхностно-активных веществ мыльная пленка не сохраняется вечно. Вода со временем испаряется в зависимости от влажности атмосферы. Более того, как только пленка оказывается не идеально горизонтальной, жидкость под действием силы тяжести течет ко дну, и жидкость накапливается на дне. Вверху пленка истончается и лопается.
С математической точки зрения мыльные пленки - это минимальные поверхности. Поверхностное натяжение - это энергия, необходимая для создания поверхности на единицу площади. Пленка - как любое тело или структура - предпочитает существовать в состоянии с минимальной потенциальной энергией. Чтобы свести к минимуму свою энергию, капля жидкости в свободном пространстве естественным образом принимает сферическую форму, которая имеет минимальную площадь поверхности для данного объема. Лужи и пленки могут существовать в присутствии других сил, таких как гравитация и межмолекулярное притяжение к атомам подложки. Последнее явление называется смачиванием : силы связи между атомами подложки и атомами пленки могут вызывать уменьшение общей энергии. В этом случае конфигурация тела с наименьшей энергией будет такой, при которой как можно больше атомов пленки находятся как можно ближе к подложке. В результате получилась бы бесконечно тонкая пленка, бесконечно широко распределенная по подложке. В действительности эффект адгезионного смачивания (вызывающий максимизацию поверхности) и эффект поверхностного натяжения (вызывающий минимизацию поверхности) уравновешивают друг друга: стабильная конфигурация может быть каплей, лужей или тонкой пленкой, в зависимости от сил. которые воздействуют на тело.
Рисунок 3: интерференция тонкой пленки в мыльном пузыре. Обратите внимание на золотисто-желтый цвет в верхней части тонкой пленки и несколько еще более тонких черных пятен Переливающиеся цвета мыльной пленки вызваны интерференцией (изнутри и внешне) отраженные световые волны, процесс, называемый интерференцией тонких пленок, и определяются толщиной пленки. Это явление не то же самое, что происхождение цветов радуги (вызванное преломлением внутреннего отраженного света), а скорее то же самое, что явление, вызывающее цвета в масляном пятне. на мокрой дороге.
Рис. 4: Снимок пленки, сделанный во время ее создания. Пленка вытаскивается из мыльного раствора и стекает сверху. Если поверхностно-активные вещества правильно выбраны и влажность воздуха и движение воздуха надлежащим образом контролируются, горизонтальная мыльная пленка может длиться от минут до часов.. Напротив, на вертикальную мыльную пленку действует сила тяжести, поэтому жидкость имеет тенденцию стекать, вызывая утончение мыльной пленки вверху. Цвет зависит от толщины пленки, которая составляет цветные интерференционные полосы, которые можно увидеть в верхней части рисунка 4.
Рисунок 5: Увеличенное изображение черных точек на мыльной пленке На поздних стадиях осушения начинают образовываться черные пятна с острыми краями. Эти пятна значительно тоньше (< 100 nm) than the normal soap film, giving rise to their black interference colour. Whether black spots can form depends on the concentration of the soap, and moreover there are two types of black films:
По мере того, как дренаж продолжается, черные пятна в конечном итоге покрывают всю мыльную пленку, и, несмотря на ее чрезвычайную тонкость, окончательная черная пленка может быть довольно стабильной и может сохраняться в течение многих минут.
Если мыльная пленка нестабильна, она заканчивается разрывом. Где-то в пленке создается отверстие, которое открывается очень быстро. Поверхностное натяжение действительно приводит к минимизация поверхности и, как следствие, исчезновение пленки. Отверстие отверстия не является мгновенным и замедляется инерцией жидкости. Баланс между силами инерции и поверхностным натяжением приводит к скорости раскрытия: 
