童年迷思 | 為什麼用洗潔精配成的泡泡水吹不出很多泡泡？_風聞

吹泡泡是大家最熟悉不過的童年遊戲了。沾上一些泡泡水，輕輕吹一口氣，一串串五彩斑斕的泡泡在陽光下隨風飄散。泡泡水用光了後，爸媽又不願意買一瓶新的，怎麼辦？小腦袋靈光一閃，倒一點洗潔精或者洗衣粉又或者洗髮露，兑水配成一瓶“泡泡水”。可是這瓶“泡泡水”怎麼吹都吹不出買的泡泡水那麼多的泡泡了。這是為什麼呢？

今天小編就來給大家解答這個童年迷思，順便給大家一份配製泡泡水的秘籍。

●神奇的表面張力●

提到泡泡就不得不説一下表面張力這個概念，兩種不同物態的物質之間界面上的張力被稱為表面張力 [1]。從分子力的層面來理解，表面張力是由物質內部的吸引力導致的。拿液體來説，液體內部分子之間的吸引力一般比氣體中分子之間或氣體與液體之間的分子之間的吸引力要大，使得液體收縮，表面好似緊繃的一層膜。從能量的角度來理解，表面的分子具有較高的分子勢能，為了達到低能量的穩定狀態，就需要減少表面分子的暴露，減小液體的表面積。要注意的是，它雖然有個名字中帶個“力”，但實際上它的單位是N/m或J/m2。

純水的表面張力為72.75N/m，乙醇的表面張力為22.55N/m，所以酒精的表面張力是要比純水小的。減少純水的表面張力還可以往裏面加入表面活性劑。所謂表面活性劑，就是能使溶液表面張力顯著下降的物質，表面活性劑一般為具有親水基團（“頭”）與疏水基團（“尾”） 的有機兩性分子。而溶於水中的無機鹽則能增大表面張力。

十二烷基硫酸鈉（看起來像毛毛蟲），表面活性劑的一種，被廣泛用於洗衣粉中 | 來源：Wikipedia

生活中的許多現象都和表面張力有關，比如水黽的輕功水上漂，一分的硬幣浮在水面上，《三體》的曲率飛船的原理（誤入）。

水黽輕功水上漂，破了它的輕功很簡單，加點表面活性劑 | 來源：Wikipedia

在小船的尾部滴加洗滌劑，小船尾部的表面張力小，前方的表面張力大，從而將小船向前“拉”了過去

説了這麼多，表面張力和泡泡到底有什麼關係呢？純水的表面張力比較大，不能形成穩定的泡泡，因為泡泡的產生會增大氣液間的表面積，使得表面自由能增大，這是熱力學不穩定的。加入表面活性劑後，表面活性劑的親水基團插入水相，疏水基團豎在空氣中，這樣降低了表面張力，讓泡泡能穩定存在一段時間。從下面這張圖中可以看出，泡泡膜是三明治結構，兩側是表面活性劑，中間夾着一層水，這一三明治結構對後面泡泡水的配方至關重要。

泡泡的結構

●薄膜干涉●

吹泡泡的時候，小朋友們最迷戀的就是它彩虹般的顏色，五彩斑斕，像被施了魔法一樣。泡泡的顏色其實是一個很常見的光學現象——薄膜干涉。

所謂薄膜干涉，就是一束光照射於薄膜，由於折射率不同，光會被薄膜的上界面與下界面分別反射，因相互干涉而形成新的光，這現象稱為薄膜干涉 [2]。新的光是上下界面反射光的疊加，兩個界面的反射光可能干涉相長（強度增加）或干涉相消（強度減小），這取決於它們的相位關係。

干涉相消（圖中沒把半波損失畫出來） | 來源：Wikipedia

干涉相長（圖中沒把半波損失畫出來） | 來源：Wikipedia

從上面圖中以看出，兩個界面的反射光的相位關係不僅與入射光波的波長（顏色）有關，與薄膜的厚度也有關。光程差為半波長的偶數倍是干涉相消，光程差為半波長的奇數倍時干涉相長（有半波損失）。所以，我們也就可以通過看泡泡的顏色來估計它的膜厚。

泡泡膜顏色與厚度的關係 | 來源：physics.stackexchange.com

泡泡膜顏色與厚度的關係 | 來源：soapbubble.dk

相信大家都有經驗，如果泡泡顏色變成了黃昏時天空的那種金色，就説明泡泡快要破了。那麼泡泡變薄的原因是什麼呢，一是在重力作用下泡泡水會向下流動，二是泡泡的比表面積巨大，蒸發劇烈，使得泡泡很快變薄。

●大泡泡配方●

有了上面那些知識，現在就來解答“為什麼用洗潔精配成的泡泡水吹不出很多泡泡”這個童年迷思。

不知大家發現沒有，自制的泡泡水吹出來的泡泡顏色沒有那麼鮮豔，甚至有點發灰，一下子就破了。根據上面泡泡顏色和膜厚的關係，就很好理解：自制泡泡水吹出來的泡泡的膜很薄，很容易破。那怎樣才能讓泡泡膜變厚，並且維持比較長的時間呢？

和大家一樣，有很多人也對這件事兒好奇，所以就有個在線的Wiki [3]，專門分享泡泡水的配方和將泡泡吹大、吹多的方法。

確實，泡泡水的配方可不是洗潔精加水那麼簡單（那時的小腦袋想盡辦法也不過是加大洗潔精的濃度，或者是換一種洗滌劑）。一般來説，有以下成分：去離子水、表面活性劑、甘油、聚合物、pH調節劑。

下面小編來給大家一一解釋這些成分的作用。

水是作為溶劑的，這大家都知道，但為什麼要強調用去離子水？生活在水質比較硬的地方小可愛就知道，用肥皂洗澡的時候，會發現肥皂水上面有一層浮渣。這些浮渣大部分其實不是人體的污垢，而是硬水中的鈣鎂離子和肥皂中的硬脂酸鈉生成了溶解度更小的硬脂酸鈣和硬脂酸鎂，浮在了水面上。所以，為了讓表面活性劑發揮最好的性能，最好用去離子水。

在配方中當然少不了表面活性劑了，常見的有很多，洗潔精、洗手液、洗衣液等等都可以。至於甘油，其實沒有什麼特別的作用，主要是因為下面要用到的粘結劑不太溶於水，需要甘油來幫助它們溶解。

至於泡泡水中需要添加聚合物，很多人就可能就不知道了。它不僅能讓泡泡膜變厚，還能讓泡泡延展開來後更不容易破裂。還記得前面説到了泡泡膜的三明治結構嗎？聚合物也有減緩泡泡膜水分蒸發的作用，讓泡泡維持更長的時間。常見的聚合物添加劑有聚環氧乙烷（PEO）、瓜爾豆膠、聚乙烯醇（PVA，膠水中的就是它）等。

聚環氧乙烷PEO | 來源：Wikipedia

瓜爾豆膠 | 來源：Wikipedia

説到泡泡水中的聚合物，就不得不説一下美國埃默裏大學的賈斯汀·伯頓（Justin Burton）副教授。他在巴塞羅那開會的時候看見街頭藝人表演吹出了巨大的泡泡，不由得想知道巨大的泡泡為什麼能維持那麼大的表面積而不至於破裂 [4]。於是他回到家研究泡泡的配方，並發現了Soap Bubble Wiki這個網站（就是參考資料[3]的那個網站）。經過實驗，他發現聚合物對大泡泡的產生起了至關重要的作用。於是他就指導自己的研究生在實驗室吹泡泡玩，研究聚合物究竟為何能讓大泡泡不易破裂。然後就在Physical Review Fluids上發了一篇論文（見參考資料[5]），並且他的研究生還憑這個工作碩士畢業了（這也可以？？？）。

言歸正傳，配方中的pH調節劑主要是泡打粉、檸檬酸等。其實不用這些pH調節劑就可以獲得很好的泡泡水了，但是一些人發現加了pH調節劑後可以讓泡泡更容易閉合，並且延長泡泡的壽命。

Soap Bubble Wiki給初學者提供了一個入門配方，請大家備好小馬紮：1kg去離子水，40~65g洗潔精、1.5g瓜爾豆膠，2g泡打粉，適量甘油或酒精[6]。除了配方，吹大泡泡的工具也很重要，下面這種自制的工具能吸取儘可能多的泡泡水，吹出大泡泡。還專門有個網站收集大泡泡的世界紀錄（見參考資料 [7]）。

吹大泡泡工具示意圖 | 來源：Soap Bubble Wiki

吹大泡泡工具成品 | 來源：Soap Bubble Wiki

有誰童年的時候不想吹個大泡泡呢？但是，當知道怎麼吹大泡泡的時候，小時候無憂無慮的日子也像那五彩斑斕的泡泡一樣隨風飄散了，真讓人懷念。

來源：Soap Bubble Wiki

來源：Soap Bubble Wiki

參考資料

[1] 表面張力

[2] 薄膜干涉

[3] https://soapbubble.fandom.com/wiki/Soap_Bubble_Wiki

[4] https://phys.org/news/2020-01-physics-giant-secret-fluid-mechanics.html

[5] Frazier S, Jiang X, Burton J C. How to make a giant bubble[J]. Physical Review Fluids, 2020, 5(1): 013304.

[6] https://soapbubble.fandom.com/wiki/Recipes_Guar

[7] http://www.recordholders.org/en/list/soapbubbles.html