Płyny Zawiesiny: Spływanie Filmu Tocznego i Barw Interferencyjnych

Pancerz z gazowych bąbelków jest tkaniną kilka setek nanometrów grubą

Film mydłowy to delikatna warstwa wody zamknięta między dwiema monolamiami surfaktantów, gdzie ogony wskazują na zewnątrz do powietrza, a gliny skierowane są w stronę wnętrza wody. Ta struktura jest tylko metastaabilna: grawitacyjne spływanie ciągle przyciąga wodę w dół za sprawą własnego ciężaru filmu, co zwiata górę bąbelka, podczas gdy dolna część bulwi się, a wydostawanie się wody ze powierzchni działa niezależnie od grawitacji. Oba te procesy spowodowują zmniejszenie grubości filmu przez całe życie bąbelka, a równowaga między nimi (zaścigana także efekt stabilizacyjny zwany efektem Marangoni, który polega na oporze lokalnych gradientów naprężenia surfaktantowego przeciwko dalszemu zwiacaniu) jest tym, co determinuje, ile czasu bąbelku trwa przed popiosem.

Spływanie kolorów w spływie filmu tlenkowego

Słoneczny światło odświerzające się na filmie tlenkowym odbija dwukrotnie - raz na zewnątrz powierzchni powietrze-film, raz wewnętrznie na powierzchni filmu-powietrze. Te dwa odbite fale interweniują. Czy dane długości fal interferują konstruktywnie (jasno) czy destruktystycznie (ciemno) zależy od dodatkowej ścieżki, którą przebywa drugie odbicie, co jest zdefiniowane przez grubość filmu d i kąt światła:

różnica ścieżek ≈ 2 n d cos(θ) // n = współczynnik przewodzenia światła w filmie tlenkowym (≈1.33-1.4) konstruktywnie (jasno) dla danej długości fali λ, gdy: 2 n d cos(θ) = (m + ½) λ // dodatkowe ½λ z powodu przekręcenia fazowego w jednym z interfejsów // ponieważ grubość filmu d zmienia się ciągle podczas spływu, długość fali spełniająca tę warunek przebiega przez całą widzialną // spektrum - to jest powodem, dlaczego kolorowe pasy widocznie przesuwają się i kręcą, gdy obserwujesz rzeczywistą bąbelkę, która się skraca. Termijn dodatkowej pół długości fali istnieje z powodu tego, że światło odbijające się od zewnątrz (przechodząc z niskiego-indeksowego powietrza do wyższo-indeksowego filmu) przekręca fazę o 180 stopni, podczas gdy światło odbijające się od wewnętrznej powierzchni (przechodząc z filmu z powrotem do powietrza, wyższy indeks na niższy) nie przekręca. Ta asymetria jest tym, co tworzy prawdziwe kolory interferencyjne, a nie to, że dwie odbicia anulują się identycznie przy każdej grubości filmu.

path difference ≈ 2 n d cos(θ)      // n = refractive index of soap film (≈1.33-1.4)

constructive (bright) for a given wavelength λ when:
2 n d cos(θ) = (m + ½) λ        // extra ½λ from a phase flip at one interface

// as d changes continuously during drainage, the wavelength
// satisfying this condition sweeps through the visible
// spectrum - this is why the colour bands visibly drift
// and swirl as you watch a real bubble thin

Kolejność barw śledzi grubość folii

Dzięki temu, że grubość spływa prawie monotonicznie podczas zdejmowania folii, kolejność barw widoczna przez interfejsy interferencyjne odpowiada określonym zakresom grubości - tak jak skala barw Newtona używana historycznie do pomiaru grubości pokryć w optice i metroloジーce. Grube, świeżo utworzone folie (ok. mikron) pokazują jasne, zatynane pastelowe kolory wynikające z wielu połączeń rzędów; podczas spływu folia sięga do kilku setek nanometrów, pojawiają się satysfakcjonujące kolory pierwszego rzędu - żółte, pomarańczowe, fioletowe, niebieskie, zielone - cyklicznie zmieniając się wraz ze stałą spadek grubości.

Film czarny: ostatni etap przed wybuchem

Kiedy film sięga poniżej około 100 nanometrów - znacznie mniej niż jednej czwartej najkrótszej widocznej długości fali - różnica ścieżek staje się zbyt mała, aby dowolna widoczna długość fali spełniła warunek interferencji konstruktywnej w żadnym znaczącym stopniu, a intensywność odbitej światła dla wszystkich kolorów spada ku zera. Film wydaje się prawie czarny; to jest powszechny film czarny lub, jeszcze cieńszy, stabilizowany przez repulsję krótkorozdrożną między dwoma monolaminy surfaktantów naciskającymi blisko siebie. Płatek czarnego filmu to widoczne przeciwko czasu: teraz jest tak cienki, że mała lokalna perturbacja, prąd powietrza lub proste dalsze zanikanie może go pęknąć, a pęknięcie filmu nukleowane w dowolnym miejscu na powierzchni propaguje się prawie natychmiast całą powierzchnią, ponieważ naprężenie surfacjonalne już nie jest w stanie utrzymać kraszającego się struktury.

~1000 nm : pale, washed-out pastel colours (many overlapping interference orders)
~300-700 nm : saturated first-order colours, actively cycling as film drains
~100 nm  : colours fade toward silvery-grey
<100 nm  : common/Newton black film - effectively non-reflective, imminent rupture

Co rzeczywiście poprawia powiekę

Powieka nie zanika prosto ze soapu; poprzedza ją chwilę, gdy jej słabszy punkt przekroczy krytyczną grubość, na której puch może już nie mechanicznie samozakładka wobec lokalnego zakłócenia. Cokolwiek że destabilizuje lokalnie puch - cząsteczka pyłu przenikającą go, brak wilgoci spowodowany lokalną sublimacją, oddech zmieniający powierzchnię lub prosto zjawisko zanurzania się do granic czarnej folii (co zwykle nastąpi na szczycie, ponieważ grawitacja całe czasu przenosi wodę stamtąd) - spowoduje rozpad. To jest też przyczyną dlaczego wilgotne powietrze, brak pyłku i dodane glukozyna (ktora opóźnia sublimację i stabilizuje puch) wszystko widocznie przedłużają czas rzeczywistych istnienia powiek: każda z nich opóźnia jeden z konkretnych procesów prowadzących do puchu ku temu krytycznej grubości.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Soap Bubble — Thin-Film Drainage & Iridescence i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.