Loading AI tools
来自维基百科,自由的百科全书
皂膜(Soap films)是由液體(多半是水基液體,例如肥皂液)在空氣中形成的薄膜。例如兩個肥皂泡接觸時,兩個肥皂泡會融合成一個,而在中間形成薄膜。泡沫就是由許多皂膜,依普拉托定律連接成的網絡。皂膜有兩層表面,由於表面張力,皂膜會使表面面積最小[1]。皂膜可以用來成為極小曲面的模型,常用在數學中。
從日常經驗可以看出,在水或是純液體中不太容易讓泡沫持續存在。而肥皂的成份有表面活性劑分子,可以穩定肥皂泡。表面活性劑多半會是兩親分子,其中有疏水性的部份及親水性的部份,會在空氣/水的介面上排列(見圖1)。
表面活性劑會讓皂膜的二層表面之間有排斥力,讓皂膜不會變薄破裂。可以透過有關分離壓的計算來量化其效果。主要的排斥機制是位阻效應(表面活性劑無法交錯)及靜電力(若表面活性劑有帶電的情形)。
若皂膜的厚度有波動時,靠着著表面活性劑的馬倫哥尼效應也會使皂膜穩定。因此皂膜介面有一些可撓性。若上面的表面張力沒有均勻分佈,會透過馬倫哥尼效應使表面張力均勻分佈(見圖2)。
不過就算存在有穩定效果的表面活性劑,皂膜仍無法永久存在不破裂。水會慢慢蒸發(速率因着空氣中濕度而不同)。而且只要皂膜不是完美的水平配置,其中的液體會因為重力而往下方流動,漸漸累積到下方,最後皂膜的上方會變薄,最後破裂。
以數學的觀點來看,皂膜可以視為是極小曲面。表面張力是量測形成表面需要的能量,會將表面極小化,因為表面能量和皂膜面積成正比,皂膜會變形使其表面極小,因此也使其能量極小[2]。
皂膜的形式會依照支持方式而變化。若在平的表面上,皂膜一般也會是平的,不過若是支持的物體形狀較複雜,皂膜會變形,使其表面達到極小曲面[2]。
皂膜的彩虹色是因為皂膜兩層表面干涉光波所造成,此現象稱為薄膜干涉,會因皂膜的厚度而定。此現象的原理不是因為形成彩虹的折射造成,比較類似油污在水上產生的彩虹色。
若選擇適當的表面活性劑[2],適當的控制大氣濕度及空氣的流動,水平的皂膜可以維持幾分鐘其至到幾小時。不過,垂直的皂膜會因為重力影響使水份往下流,使上方的皂膜變薄。皂膜顏色隨厚度而變化,因此垂直皂膜上方的顏色會和下方不同。
若皂膜不穩定,最後則會破裂。在皂膜某處會有破洞,之後破洞會迅速擴大。表面張力會使得表面極小化,因此皂膜最後會消失。破洞的出現會被液體的慣性所減慢。慣性力的平衡以及表面張力會產生以下的開口速度(opening velocity)[3]:
其中