Seifenblasen

Wie man Seifenblasen am Platzen hindert

Die Dauer – eine noch einzuführende Wissenschaft

Paul Valéry (1871 – 1945)

Die schillernden Kugeln üben eine große Faszination aus: wegen ihrer Farbspiele, aber auch ihrer meist sehr kurzen Lebensdauer. Doch diese lässt sich mit ein paar Tricks auf über ein Jahr verlängern!

Wenn man sagt, Träume zerplatzen wie Seifenblasen, wird die Vergänglichkeit dieser fragilen Objekte sprichwörtlich. Bei den menschlichen Bemühungen, Träume wahr werden zu lassen und Seifenblasen ein längeres Leben einzuhauchen, gibt es zumindest beim letzteren Punkt bemerkenswerte Fortschritte.

Physikalisch gesehen ist eine Seifenblase ein kugelförmiger Flüssigkeitsfilm, der mit einem Gas gefüllt ist, normalerweise Luft. Wie man an den prachtvollen Interferenzfarben direkt erkennen kann, ist die Wand einer solchen Blase äußerst dünn. Denn das bunte Schillern bedeutet, dass bei den Lichtwellen, die an der Außen- und Innenseite des Films reflektiert werden und sich dann überlagern, einzelne Farben ausgelöscht und andere verstärkt werden. Das ist aber nur bei einer Wanddicke möglich, die in der Größenordnung der Wellenlängen des sichtbaren Lichts liegt, also unterhalb eines tausendstel Millimeters.

Auf die filigrane Seifenhaut wirkt gleich nach ihrer Entstehung die Schwerkraft ein. Infolgedessen rinnt Flüssigkeit auf Grund ihres eigenen Gewichts langsam die Wand hinunter. Dadurch wird diese im oberen Bereich immer dünner. Zuweilen zeigt sich die Umverteilung an einem wachsenden Tropfen am unteren Ende.

Die Beobachtung, dass die Erdanziehung die Lebensdauer der Blasen maßgeblich verkürzt, wird durch Experimente in der internationalen Raumstation ISS untermauert. In der dortigen Schwerelosigkeit existieren die Gebilde länger als bei ansonsten vergleichbaren Bedingungen auf der Erde.

Zusätzlich zur Gravitation setzen den Seifenblasen weitere Vorgänge zu. So verdunstet mehr oder weniger Flüssigkeit aus der Wand, je nach den herrschenden meteorologischen Bedingungen. Bei hoher Luftfeuchte halten sich die Blasen länger als bei strahlendem Sonnenschein. Die lebensverlängernde Wirkung lässt sich bei Nieselwetter besonders gut beobachten. Nicht nur nimmt die Verdunstungsrate ab – vermutlich werden sogar die Wasserdampfverluste durch auftreffende winzige Wassertröpfchen teilweise kompensiert.

Die Blase ist außerdem äußeren Störungen unterworfen, beispielsweise durch Luftbewegungen. Diese lassen die Wandstärke schwanken und provozieren Ausgleichsströmungen, die in schillernden Schlieren ihren sichtbaren Ausdruck finden. Wenn das die Blase nicht schon vorher hat platzen lassen, beobachtet man gegen Ende ihrer Lebenszeit, wie von oben beginnend die Farben sukzessive verschwinden. Dann ist die Filmdicke geringer als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, und unterhalb von einigen zehn Nanometern steht das Ende der Blase unmittelbar bevor.

Die unmittelbarste Bedrohung der schwebenden Sphären ist eine äußere Berührung, sei es von Staub oder durch die Hand eines spielenden Kindes. Solche Kontakte fungieren als so genannte Nukleationskeime, die oft rasend schnell zu einem Loch in der Blase und somit zum Platzen führen. Manchmal genügen bereits Inhomogenitäten der Seifenkonzentration als Auslöser. Berührungen erfolgen in vielen Fällen mit benetzbaren (hydrophilen) Gegenständen. Sie entziehen der dünnen Wand punktuell sehr viel Flüssigkeit, die nicht schnell genug durch Ausgleichsströmungen ersetzt werden kann. Das muss nicht immer so sein: Auf regennassen Blättern bleiben Seifenblasen liegen, ohne zu zerspringen.

Unterschiedliche Maßnahmen können das Leben der Gebilde verlängern. Straßenkünstler haben sich Rezepte für Seifenblasen erarbeitet, die zumindest einige Minuten überstehen. Solche Erfolge haben Aymeric Roux, Alexis Duchesne und Michael Baudoin von der Université Lille im Jahr 2022 allerdings weit in den Schatten gestellt: Den drei französischen Physikern gelang es, Blasen mit einer Lebensdauer von bis zu 465 Tagen herzustellen.

Dabei haben die Forscher die destruktiven Prozesse in der Seifenblase systematisch beseitigt. Sie unterbanden ein Herunterrinnen der Flüssigkeit in der Wand, indem sie der Lauge winzige Plastikteilchen mit einem Durchmesser von etwa einem zehntel Millimeter zufügten. Die hydrophilen Partikel umgeben sich mit der Flüssigkeit und werden von dieser mit in die Kugelform gezwungen. Der Effekt ähnelt dem Verhalten von trockenen Sandkörnern, die durch Zugabe von Wasser zu dauerhaften Sandburgen gestaltet werden können: Dort hält die Feuchtigkeit die Körner in Form, und der Sand hindert durch seine Hydrophilie das Wasser am Abfließen. Bei der Blase verfestigen die Kügelchen zudem das Gebilde und machen es unempfindlich gegen Berührungen und andere Quellen von Nukleationskeimen.

Wie man aber von einer Sandburg weiß, verhindert die Bindung des Wassers an den Körnern nicht dessen Verdunstung. Jedes Strandkunstwerk zerfällt irgendwann, wenn man den Sand nicht ständig befeuchtet.

Um dem Wasserverlust in den Blasen vorzubeugen, haben die Forscher ihrer Mixtur Glyzerin zugegeben. Dabei handelt es sich um eine hygroskopische Substanz, das heißt, sie kann Wasserdampfmoleküle aus der Umgebung aufnehmen und damit der Verdunstung entgegenwirken. Das funktioniert umso effektiver, je größer die Dampfkonzentration in der umgebenden Luft ist. Durch eine passende Dosierung sorgte das Team für Ausgewogenheit zwischen dem Wasserverlust durch Verdunstung und der Absorption durch das Glyzerin in der Wand. Damit konnte die Blase nicht mehr austrocknen.

Die verschiedenen Komponenten und Vorgänge in den dergestalt präparierten Blasen waren so gut ausbalanciert, dass ein Exemplar 465 Tage durchhielt. Der Rekord steht allerdings in einem ernüchternden Kontrast zu den Eigenschaften, die wir gemeinhin mit einer Seifenblase verbinden – sie alle fehlten hier. Weder schwebte die Sphäre, noch spiegelte sie oder schillerte farbenprächtig, sondern sie lag auf dem Untergrund wie die weißliche Kuppel einer Radarstation. Am Schluss platzte sie nicht spektakulär, sondern fiel kraftlos in sich zusammen. Dazu, woran sie schließlich doch noch zu Grunde gegangen ist, können die drei Wissenschaftler nur Vermutungen anstellen. Sie verdächtigen Kolonien von Mikroorganismen, die sich im Flüssigkeitsfilm entwickelten und das sorgfältig austarierte Gleichgewicht schließlich zerstörten.

Quelle

Roux, A. et al.: Everlasting bubbles and liquid films resisting drainage, evaporation, and nuclei-induced bursting. Physical Review Fluids 7, 2022

Die Jahreszeiten auf einen Blick

Kurz vor dem Jahreswechsel denke ich über die Jahreszeiten nach – die vergangenen und die kommenden. Sie hängen ja alle insofern miteinander zusammen, als sie auseinander hervorgehen. Sie tun das natürlich in einer bestimmten Reihenfolge und Ordnung – dafür sorgen schon die Drehung der Erde um die Sonne und die damit einhergehende Veränderung einiger physikalischer Größen.
Ich habe hier versucht, jenseits aller physikalischer Überlegungen die Jahreszeiten in einem Bild darzustellen. Die aktuelle Jahreszeit, der Winter, bildet den aktuellen Hintergrund, wobei ich zugeben muss, dass die Raureifstacheln aus dem letzten Winter stammen. Alles andere ist dem Blick in die Kugel zu entnehmen. Nun ist der Blick in die Kugel für einen Physiker nicht gerade die erste Wahl, um eine Vorhersage zu treffen. Aber in den Raunächten zwischen den Jahren sollen ja Dinge möglich sein, die in keinem physikalischem Textbuch zu finden sind und einem selbst im Traum nicht einfallen würden.
Ob es so kommt, wie man es in der Kugel zu sehen vermeint, steht allerdings unter den Damoklesschwertern der Raureifstacheln, die sich der filigranen Vorhersageblase bereits ungebührlich genähert haben.

Es schneit Weihnachtskugeln zum 4. Advent

Wenn es bunte Kugeln schneit, dann ist auch Weihnachten nicht mehr weit.

Selektive Wirkung von Schatten

Kinetische Farben auf einer Seifenblase

Wenn man das obige Foto sieht, denkt man wohl eher an ein abstraktes Kunstwerk als an einen natürlichen Vorgang. Es handelt sich dabei um einen kontrastverstärkten Ausschnitt aus einem turbulenten Geschehen auf einer Seifenblase, die hier gemeinsam mit einer Schwesterblase etwas genauer in den Blick genommen wird (unteres Foto, rechte Blase). Die Doppelblase ist auf einem Weinblatt hängen geblieben und zeigt auf ihrer Oberfläche das, was im oberen Foto ausschnittsweise wiedergegeben wird. Angefacht durch Luftbewegungen und Degenerationsprozesse in der Seifenhaut ist allerlei los auf den Blasen.

Seifenblasen lieben sechs

Im Science Center Universum in Bremen, das ich gelegentlich besuche, so wie man einen Park oder ein Kunstmuseum immer mal wieder aufsucht, werden alltägliche Gegenstände und Vorgänge oft allein durch die Art wie sie in Szene gesetzt werden auf meist herausfordernde Weise hinterfragt.
Hier Blickt man auf eine Doppelglaswand zwischen deren Scheiben sich Seifenblasen teilweise zu Schaum zusammengetan haben. Das hat den Vorteil, dass sich mehrere Blasen eine Wand teilen und dabei Grenzflächenenergie einsparen können. Denn für die Integration einer Glasscheibe ist weniger Energie nötig als für die Ausbildung einer eigenen Lamelle mit der Luft. Wenn es die Situation ermöglicht, werden die Schaumpolygone eine hexagonale Struktur annehmen, weil in diesen Fällen die Grenzfläche minimal ist. Die ist an einigen Stellen ansatzweise realisiert (siehe den Ausschnitt im unteren Foto).
Überdies sollte nicht vernachlässigt werden, dass die Struktur ästhetisch ansprechend ist. Es vereinigen sich hier wieder einmal die Notwendigkeit zur Energieminimierung des Systems (maximal viel Energie an die Umgebung abzugeben (2. Hauptsatz der Thermodynamik)) und der Zufall, der bei der konkreten Ausbildung der Seifenzellenstruktur eine wesentliche Rolle spielt.

Bunter Kaffee unter freiem Himmel

Kaffee wird viel getrunken und vielleicht wird noch mehr darüber geschrieben und gesprochen. In einer Kaffeepause genießt man das Aroma, den Geschmack und die positive Wirkung auf das Gemüt. Die Farbe des Kaffees ist meist schwarz; es sei denn, man nimmt seinen Kaffee unter freiem Himmel ein. Dann kann es passieren, dass man auf der Kaffeeoberfläche den blauen Himmel reflektiert sieht und damit eine Erklärung für das himmlische Gefühl findet, das zumindest eine Sorte dieses Namens zu vermitteln verspricht.
Manchmal entstehen Bläschen auf dem Kaffee und wenn diese vom weißen Licht getroffen werden, kann es sein, dass einem auch noch die restlichen Farben in den tollsten Kombinationen entgegen leuchten. (Zur Vergrößerung auf Bild klicken!). Die Interferenz macht es möglich. Große und kleine Blasen bilden einen ästhetisch ansprechenden Farbenteppich wobei sie unterhalb einer gewissen Größe weiß erscheinen (siehe die kleinen Blasen in den Zwischenräumen und an den Rändern der größeren Blasen). Dann sind sie so winzig und liegen sie so dicht beieinander, dass sie ähnlich wie Nebeltröpfchen das Licht in aller Richtungen streuen und unsere Augen gleichzeitig Licht aus verschiedenen Richtungen erhalten, das sich zu weiß vermischt.
Keine Angst, wir haben es hier nicht mit Seifenblasen zu tun, die eventuell Resten von Geschirrspülmitteln zu verdanken wären. Es sind echte Kaffeblasen. Denn der Kaffee enthält Substanzen, die eine ähnlich oberflächenentspannende Wirkung entfalten können. Die wie auch immer im Kaffee entstehenden Bläschen zerfallen also nicht sofort wie im reinen Wasser, sondern leben genügend lange, um diese Beobachtungen anstellen zu können. Dazu gehört, dass bald nachdem sie entstanden sind, eine Blase nach der anderen platzt und die farbigen Lichtlein zum Erlöschen bringt. Damit zerplatzt dann auch der Farbtraum sprichwörtlich wie Seifenblasen.
Und wer den Abwasch der Kaffeetassen nicht in das lärmenden Dunkel der Geschirrspülmaschine verbannt, sondern stattdessen nach der herkömmlichen Methode Hand anlegt, kann das Blasenfarbenspiel noch einmal in anderer Konstellation zu Gesicht bekommen.

Eine Korona durch Seifenblasen?

Beim Fensterputzen gibt es zahlreiche Methoden. Hier wurde die Scheibe zunächst mit seifigem Wasser behandelt, die Spülung mit klarem Wasser steht unmittelbar bevor. Diesen Moment dazwischen nutzt die Natur gerade zu einer künstlerischen Darbietung, zu der vermutlich nur jemand einen Bezug hat, die oder der gerade nicht mit dem Fensterputzen befasst ist.
Man blickt hier nicht nur durch die benetzte Scheibe, sondern auch noch durch den Apfelbaum, in dem die tiefstehende Abendsonne hängt und auf unserer Netzhaut einen Eindruck von einer artifiziellen Baumkorona hinterlässt. Schaut man sich die Blasenflöße genauer an, so entdeckt man zahlreiche winzige Wassertropfchen, die sich in dem Maße bilden, in dem sich der Seifenlaugenfilm zwischen den Blasenflößen auflöst.
Ich vermute, dass diese kleinen, bereichsweise einheitlich großen Tröpfchen die Ursache für die Andeutung der Korona sind, die sich hier ansatzweise konzentrisch um die Sonne herum legt. Sie hielt sich leider nicht lange. Denn der nächste Schritt des Fensterputzens, die Spülung schuf klare Verhältnisse: Eine blitzblanke Scheibe mit ungestörtem Durchblick und ohne Dreckeffekt, will sagen: ohne Korona.  Ehrlich gesagt fand ich die verseifte Scheibe mit Korona schöner.

Wie Phönix aus der Seifenblase…

Um nicht zerplatzend in einige Tropfen zu zerfallen, wählt diese Seifenblase einen anderen Weg. Sie verwandelt sich – oder wird sie durch den Wunsch des Kindes verwandelt – in einen Vogel. Wir sind direkte Zeugen der wunderbaren Transmutation: der Vogel schaut rechts bereits erkennbar aus der Blase heraus. Weiterlesen →

Himmlische Sphären

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 6 (2016) S. 44 – 47

Drückt ein Luftstrom gegen einen aufgespannten Flüssigkeitsfilm und wölbt ihn genügend stark ein, schnüren sich kugelförmige Teile ab – genannt Seifenblasen.

»Und sie reicht ihm willig Krug und Ähre,
und er bläst den Schaum,
und sieh da, die wunderschöne Sphäre
wölbt sich in den Raum,
wölbt sich auf, als obs ein Weltball wäre,
nicht nur Schaum und Traum.«
Christian Morgenstern (1871 – 1914)

PDF: Himmlische Sphären

Gedanken sind wie Seifenblasen

„Nehmen Sie eine Seifenblase an, denken Sie, der innere Raum derselben sei ihr Gedanke, so ist ihre Ausdehnung dann die Gestalt. Nun aber hat eine Seifenblase ein Moment in ihrer Ausdehnung, in der ihre Erscheinung und die Ansicht derselben in vollkommner Harmonie stehen, ihre Form verhält sich dann zu dem Stoffe, zu ihrem innern Durchmesser nach allen Seiten und zu dem Lichte so, daß sie einen schönen Blick von sich giebt. Alle Farben der Umgebung in ihr schimmern, und sie selbst steht nun auf dem letzten Punkte ihrer Vollendung. Nun reißt sie sich von dem Strohhalme los, und schwebt durch die Luft. Sie war das, was ich unter der Gestalt verstehe, eine Begrenzung, welche nur die Idee festhält, und von sich selbst nichts spricht. Alles andere ist Ungestalt, entweder zu viel, oder zu wenig“.

Clemens Brentano (1778-1848)

Mit diesem Beitrag möchte ich Anja sehr herzlich zum Geburtstag gratulieren.

Naturphänomene beim manuellen Geschirrspülen

Wer heute noch manuell spült, der wird zuweilen durch eindrucksvolle Phänomene belohnt. Ich bin immer wieder fasziniert, wenn ein gespültes Glas überkopf auf eine glatte Fläche gestellt wird und anschließend zauberhafte Dinge passieren. Diesmal erregt das Glas dadurch meine Aufmerksamkeit, dass es sich langsam unter Abgabe winziger sprudelnder Bläschen in Bewegung setzt und dadurch anzeigt, dass die Fläche etwas geneigt sein muss. Die Neigung ist aber so klein, dass sie bislang auf keine andere Weise erkennbar gewesen wäre. Im vorliegenden Fall bewegt sich das schwere Glas, weil es fast reibungsfrei auf einem Luftkissen sitzt. Denn nachdem das im heißen Spülwasser erwärmte und benetzte Glas auf die kühle Unterlage gestellt worden ist, schließt es das kühle Luftvolumen von der Umgebung ab und erwärmt es. Dadurch erhöht sich der Luftdruck unter dem Glas bis es soweit angehoben wird, dass die Luft entweichen kann. Sie tut es aber nicht einfach so, sondern bläst einen Ring kleiner Seifenbläschen auf, die dann mit dem Glas huckepack zum Rand der Fläche driften. Dort wird es zum Glück durch eine erhöhte Kante zum Stillstand gebracht, wodurch ich vor dem nächten spektakulären Phänomen, dem freien Fall des Glases mit anschließender abrupter Verzögerung (komplexe Bruchdynamik!), sowie den unangenehmen nichtphysikalischen Folgeerscheinungen bewahrt werde. Weiterlesen →

Capuccino Kunst und Physik

Wenn man in Italien einen Cappuccino bestellt, kann es passieren, dass einem ein Kunstwerk präsentiert wird, bei dem aus den Brauntönen des Kaffees und dem Weiß des Milchschaums blumenartige Strukturen gestaltet sind.
„Er war einer dieser Künstler, die aus der Vermischung der dunklen Kaffeespur mit dem Weiß des Milchschaums kleine Ornamente und Figuren auf die Oberfläche zaubern konnten; die Zeichnung in meiner Tasse erinnerte an Farnblätter, eine schlanke, fein gezackte, florale Struktur, die wie widerwillig verging, als ich vorsichtig Zucker auf sie häufte; der Schaum hielt den Zucker einige Momente an der Oberfläche, dann sogen die Kristalle Feuchtigkeit, quollen bräunlich auf und sackten durch den Schaum auf den Grund der Tasse, und wo das Ornament gewesen war, erschien der glatte Spiegel der dunklen Flüssigkeit, über dem sich aber die Schaumschicht sofort wieder schloß“ (Klaus Modick: Das Licht in den Steinen. Frankfurt 1995). Weiterlesen →