Великое надувательство: наука мыльных пузырей

Делали ли мыло из человеческого жира на самом деле, как пузыри помогают изучать квантовую механику, метеорологию и сетчатку дрозофил, какая химия творится в мыловаренной промышленности и что такое мыльный клей? Во всем этом разбирался Indicator.Ru.

Жюль Верн, Чак Паланик, Рудольф Шпаннер

Мыло изготавливают при помощи гидролиза сложных эфиров, или омыления. Чтобы его создать, жиры гидролизуют в присутствии щелочей. Для начала в специальных варочных котлах нагревают жиры. Чтобы получить твердое мыло — с гидроксидом натрия (NaOH), жидкое – с гидроксидом калия (KOH). Кстати, в «Таинственном острове» Жюль Верн описывает получение мыла из жира водного млекопитающего дюгоня при помощи соды – но не той, что стоит у вас на кухне. В оригинале это была soude naturelle, каустическая сода (еще одно название гидроксида натрия), которую герои романа добыли, сжигая водоросли. А если добавить не едкий натр, а известь, то, как подметил Сайрус Смит, получится бесполезное в хозяйстве нерастворимое известковое мыло. Для стирки оно и правда не годится, однако кальциевое мыло используют как загуститель – добавив его в нефтяное масло, можно получить солидол. Кроме кальция, такое мыло-загуститель можно делать с литием.

А вот в качестве источника сложных эфиров подойдут жиры и масла самого разного происхождения. Часто используется животный жир, хотя на его месте может быть и оливковое масло, ставшее основой знаменитого марсельского мыла, и кокосовое, и пальмовое, и рапсовое масла.

Но есть и более эксцентричные варианты: герой романа Чака Паланика «Бойцовский клуб» Тайлер Дерден для этой цели придумал воровать из клиник человеческий жир, оставшийся после липосакции. Однако не всегда человеческий жир добывался таким безобидным способом – несмотря на то, что рассказы о массовом производстве в Германии мыла из трупов на поверку оказались делом рук британской пропаганды, начавшейся еще во время Первой мировой и заново расцветшей пышным цветом в годы Третьего рейха.

В 2006 году удалось подтвердить, что профессор анатомического института в Данциге (ныне Гданьск) Рудольф Шпаннер все-таки экспериментировал, создавая мыло из жира заключенных. Установить истину помог лабораторный анализ мыла, которое использовали в качестве улики против Шпаннера еще на Нюрнбергском процессе. Однако слухи о промышленных масштабах такого производства пока не доказаны.

Ядро и мембрана: что общего у мыла и живой клетки

Но вернемся от этих ужасающих картин к процессу получения мыла. После омыления образуется вязкая густая жидкость – смесь мыла и глицерина, которую называют «мыльный клей». Его можно уже залить в формы, дать застыть, а потом использовать. Однако мыло, полученное напрямую из мыльного клея (его называют «клеевое мыло» – да простят нас нелюбители тавтологий), содержит мало жирных кислот (40-60%). Из-за этого оно будет хуже пениться (хотя глицерин смягчает кожу, поэтому иногда его все же оставляют).

Чтобы повысить содержание жирных кислот, нужно отделить глицерин. Для этого можно добавить к мыльному клею или снова раствор щелочи, или раствор хлористого натрия. Тогда мыльный клей разделяется на слои: верхний, содержащий много жирных кислот, становится основой для мыла (слой называют «ядро», отсюда «ядровое мыло»), а нижний, где остается много глицерина и загрязняющие компоненты, называют «подмыльный щелок». Пилированным будут называть мыло, которое делали из ядра, перетертого на валиках специальной машины. Это делает мыло более однородным, устойчивым к прогорканию и размоканию.

Но как химически происходит отстирывание загрязнений при помощи мыла? Рассказываем. У молекулы мыла, как и у фосфолипидов, которые составляют мембрану наших клеток, есть гидрофобная (водоотталкивающая) часть СН₃—(CH₂)_n и гидрофильную (водолюбивую) часть, например, COONa⁺ у твердого мыла. И, как и фосфолипиды в мембране, такие молекулы стремятся запрятать гидрофобные концы внутрь, чтобы спрятаться от внешней среды, где находится вода, а гидрофильные ориентируют наружу, создавая двойной слой – мыльную пленку, либо маленькие пузырьки-мицеллы.

Мицеллы захватывают в свои гидрофобные «объятия» частицы загрязнений, придавая испачкавшим ткань жирам подобие растворимости. А все растворимое уже уносит вода. Правда, если эта вода слишком жесткая (недавно мы посвятили жесткости воды отдельный материал) и содержит растворенные соли, ионы магния, железа и кальция будут связываться с гидрофильными головками жирных кислот, мешая формировать мицеллы и уносить с собой частички загрязнений. Напротив, ставшие нерастворимыми частицы мыла будут оседать на ткани, делая ее более грубой на ощупь.

Мыло, которое может летать

Рожденный ползать летать… сможет, если в нем много жира, из которого можно сделать мыло. Пузырькам в обычной воде, которые быстро схлопываются под действием поверхностного натяжения (силы, связывающей молекулы верхнего слоя воды и позволяющей водомеркам разгуливать по нему), этого не дано. Однако в мыльной воде поверхностное натяжение уменьшается, а стенка пузыря толще, чем в обычной, так что мыльный пузырь будет дольше оставаться стабильным.

«Приготовить плохой раствор очень легко. Любое мыло в воде, вполне вероятно, даст неудовлетворительные результаты», – пишет автор статьи «Использование мыльных пузырей в образовательных целях» из журнала School Science and Mathematics. Но как же сделать хороший? В статье приведен следующий рецепт: 75 граммов олеата натрия, литр горячей дистиллированной воды и пол-литра глицерина. Более доступный вариант – средство для мытья посуды (полчашки на литр воды) и две трети столовой ложки глицерина. Последний ингредиент не только сделает пузыри устойчивее, но и поможет уберечь играющих с ними детей от аллергических реакций. Однако на качество вашего пузыря может влиять множество факторов, поэтому найти свой идеальный состав можно лишь путем проб и ошибок. Проще купить концентрат и развести его дистиллированной водой.

Вообще же все ухищрения при создании мыльных пузырей сводятся к двум способам (недавно их описали физики из Нью-Йоркского университета): сильный, но равномерный поток воздуха, продуваемый сквозь колечко с мыльной пленкой, и слабое дуновение, которое заставляет расти уже возникшую выпуклость. Обычно дети используют второй способ, осторожно выдувая пузырь, тогда как профессиональные «пузыреологи» (bubbleologists) просто идут достаточно быстро, неся с собой петлю с мыльной пленкой, и движение воздуха делает все за них.

Выдувать пузыри лучше в дождливый день: они любят влагу, а при пересыхании их плотность становится слишком большой. Также сокращают срок жизни пузыря ветреная погода и пыль. Быстро получить много маленьких пузырей можно, используя колечко из алюминиевой проволоки, а медленно надуть большой поможет картонная трубка. Если вы хотите создать пузырь действительно впечатляющих размеров, вам понадобятся две палочки и провисающая веревка, которую нужно будет обмакнуть в тазик с мыльным раствором, а потом развернуть и подставить ветру (ну или побежать). Еще один совет: попробуйте заморозить пузырь, если вы хотите показать ребенку нечто необычное.

Не всем доступен, но для образования очень привлекателен вариант мыльных пузырей, созданный сотрудниками Бристольского университета в 2014 году. Пузыри, судя по всему, там обыкновенные, но надуваются автоматически и могут наполняться нужными ароматизаторами, а еще на них можно проецировать изображение.

Видео с пузырями от ученых из Бристольского университета

Формы и формулы

Мыльному пузырю не чужда математика: он всегда занимает наибольший объем, стремясь сохранить при этом как можно меньшую площадь поверхности. Поэтому он представляет собой сложную математическую проблему. А радужные переливы пузыря можно объяснить при помощи интерференции в тонких пленках: волны, отвечающие за разные цвета, отражаются от верхней и нижней поверхности мыльной пленки, накладываясь друг на друга.

Если один пузырь – уже непросто, то слияние пузырей – задачка на века. Например, теорему о том, что два соединившихся мыльных пузыря выбирают наиболее экономный способ заключить два имеющихся объема воздуха внутрь поверхностей наименьшей площади, сформулировал еще в 1874 году немецкий математик Герман Шварц. Доказать же ее математикам удалось лишь в начале XXI века. Кстати, соединив два одинаковых пузыря вместе, мы увидим, что стенка между ними стала плоским кругом. Но что будет во всех остальных случаях? Этот эффект описан уравнением Янга-Лапласа:

Правила соединения множества пузырей вывел экспериментально бельгийский физик XIX века Жозеф Плато, который сформулировал законы поведения мыльной пены:

1.Мыльные пленки состоят из гладких поверхностей

2.Средняя кривизна этих поверхностей постоянна на каждом гладком участке

3.Если пузырей больше трех, возле одного края будет соединяться только три стенки, и углы между ними будут равны 120 °, или 2π/3.

4.По четыре линии пересечения поверхностей будут пересекаться в одной точке, причём угол между любыми двумя линиями будет равен arccos(–1/3)≈109,5°

И вот, благодаря всем этим успехам, математики из Калифорнийского университета в Беркли, потратив пять дней на расчеты на суперкомпьютере, смогли создать видео, изображающее «эволюцию» пены из пузырей:

Вам это может показаться смешным, но они опубликовались в Science!

Антипузыри, циклоны и сетчатка дрозофил

Разные разделы науки многое могут рассказать о пузырях, но и сами мыльные пузыри могут немало поведать ученым. И нет, речь не о рыночных «пузырях» и прочих скорее метафорических концепциях, а о вполне себе естественных науках.

Пузыри имеют отношение не только к математике и общей физике, но и к квантовой механике. Начнем с того, что, как у любой уважающей себя частицы есть античастица, у мыльного пузыря есть антипузырь. Он формируется в толще мыльной жидкости, а его оболочка состоит из газа (чаще всего – воздуха). Поскольку антипузырь – это капелька воды, он переливается не из-за интерференции в тонких пленках, а из-за того же эффекта, что и радуга. Время жизни антипузыря очень коротко, но если заставить воду под ними вибрировать, этот интервал сильно увеличивается. Антипузыри-долгожители называют «бродячими» (walking antibubbles) и используют для моделирования процессов квантовой механики.

Так, мыльные пузыри помогают заглянуть дрозофилам в глаза. Статья на страницах Nature рассказывает о «теории мыльных пузырей», авторы которой, сотрудники Северо-Западного университета в Чикаго Такаси Хаяси и Ричард Картью, заметили, что клетки сетчатки мушки-дрозофилы тоже стремятся минимизировать площадь поверхности. Если взять четыре колбочки дрозофилы и поместить их рядом, они образуют структуру с отверстием посередине, словно слипшиеся пузыри. Форма таких структур будет варьироваться в зависимости от количества клеток. Управляют таким поведением белки N- и E-кадгерины. «Понимание того, как клетки состыковываются друг с другом в пространстве, – это недооцененная область науки, которая в последнее десятилетие серьезно набирает обороты. Клетки разной формы собираются вместе разными путями, зависящими от того, где они расположены и какова их функция», – считает Картью.

Хотели моделировать атмосферные потоки, но циклоны слишком непредсказуемы? – Пожалуйста, и тут вам на помощь придут мыльные пузыри. Французские ученые выяснили, что данные о завихрениях на поверхности мыльных пузырей можно легко экстраполировать на поведение тропических циклонов. Оказывается, если нагревать мыльные пузыри снизу, на них начинают вращаться цветные переливы, которые перемещаются к «полюсам», как гигантские вихри на Нептуне. Скорость зарождающегося вихря невелика, но постепенно она нарастает. Отношение этой скорости к «возрасту» мыльного «циклона» позволяет аккуратно предсказать поведение настоящего тропического циклона примерно через 50 часов после его появления (четверть его средней продолжительности жизни). Это удалось подтвердить на данных, полученных при изучении 150 циклонов, зародившихся над просторами Тихого и Атлантического океана.

Так что не надо думать, что что-то простое и несерьезное вроде мыла или тем более пузырей науке помочь не может. При первом описании это просто забавно и тянет скорее на «Шнобелевку», чем на «Нобелевку», но иногда (вспомните левитирующих лягушек Андрея Гейма) от одного до другого бывает не так уж и далеко.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.