Superbublifuk

Z běžného života víme, že hladina vody se chová, jako by byla pokryta tenkou pružnou blánou. Z hodin fyziky víme, že molekuly na hladině kapalin se navzájem přitahují nesouměrně – dole hustá voda, nahoře řídký vzduch – takže výsledná síla směřuje dovnitř, do vody. Dáme-li to dohromady, je zřejmé, že zdánlivou blánu na hladině vody tvoří tato povrchová vrstva molekul. Veličina, která charakterizuje tento jev, se nazývá povrchové napětí.

V článcích „Dva pokusy s kapilaritou“ ( www.3pol.cz/cz/rubriky/navody-na-pokusy/1665-dva-pokusy-s-kapilaritou) a „Jak se živí rostliny“ (www.3pol.cz/cz/rubriky/navody-na-pokusy/1676-jak-se-zivi-rostliny) jsme zkoumali jev zvaný kapilarita. V tenkých trubicích (kapilárách) se kapilarita projevuje mnoha užitečnými, ale i nežádoucími způsoby.

Příklady z praxe

• Ručník, osuška nebo papírový ubrousek nasávají vodu uzoučkými „kanálky“ mezi vlákny;
• houba, kterou mažeme tabuli, nasává vodu vzlínáním do jemných dutinek;
• kapilárami v půdě stoupá (vzlíná) voda ke kořenům rostlin;
• tenkými kapilárami (žilnatinou) stoupá voda se živinami v rostlinách;
• vzlínání vody v jemných trhlinách omítek a cihel způsobuje vlhnutí stěn (zabraňuje se mu vodotěsnou izolací základů),

Proč jsou kapky kulaté

V tomto pokusu se budeme zabývat jiným projevem povrchového napětí. Povrchovou „blánu“ můžeme přirovnat k tenoučké gumové stěně nafouknutého dětského balonku – síly pružnosti se snaží zmenšit jeho povrch. Obdobně se i povrchové napětí snaží, aby byl povrch kapaliny co nejmenší. A protože při daném objemu má nejmenší povrch koule, získávají jeho působením drobné vodní kapky nebo mýdlové bubliny kulový tvar.

Vyfukování mýdlových bublin patří k oblíbeným dětským hrám. Klasické brčko nebo okénko bublifuku je zdrojem jednotlivých větších či menších bublin. My si však vyrobíme „přístroj“, kterým budeme vyfukovat pěnového hada, tvořeného obrovským množstvím drobounkých mýdlových bublinek. Jednak tím získáme originální a zábavnou hračku pro mladšího sourozence, jednak se seznámíme s principem a vlastnostmi nejlehčích materiálů současnosti – aerogelů.

Výroba superbublifuku

Ke zhotovení superbublifuku můžeme použít malou PET láhev s uříznutým dnem nebo plastovou nádobku s vyvrtaným otvorem, např. od vitamínových tablet. Dále budeme potřebovat odstřižek z vyřazeného froté ručníku, provázek a tavnou pistoli (obr. 1 až obr. 4). Postup při výrobě obou variant je zřejmý ze seriálu fotografií. Tavné lepidlo a omotání provázkem zajistí vzduchotěsné upevnění textilu kolem obvodu (obr. 5 až obr. 7). Roztok vyrobíme smícháním dvou skleniček převařené vody, půl skleničky saponátu, lžičky bílého cukru a lžičky glycerinu. Suroviny opatrně promícháme a před použitím necháme několik hodin „odstát“. Látku necháme nasáknout roztokem a foukáním vytvoříme stále se prodlužujícího bublinkového „hada“. Jistě vás překvapí, že i z malého množství saponátového roztoku se nám podaří naplnit bublinkovou pěnou třeba i koupací vanu (obr. 8 až obr. 10). Nabízí se jasné ekologické poučení – nepoužíváte při mytí nádobí nebo při praní zbytečně moc saponátu?

Od dětské hry k nejmodernější technologii

Co má bublinkový had společného s aerogelem? Pod pojmem gel rozumíme materiál, který se při malém zatížení chová jako pružná látka, ale současně má i vlastnosti kapalin. S gely se běžně setkáváme – mohou to být potraviny (rosol, tavený sýr, džem), kosmetika (masti, pasty), barvy, lepidla atd. Na internetu si snadno najdeme definici: „Aerogel je porézní ultralehký materiál vyráběný odstraněním kapalné části z gelu. Nejčastějším typem je aerogel, vyráběný z oxidu křemičitého (tzv. silica aerogel). Obsahuje 99,98 % vzduchu, zbytek připadá na strukturu z molekul oxidu křemičitého. Aerogel má hustotu jen třikrát větší, než je hustota vzduchu.“

Zatímco obyčejný gel si můžeme snadno připravit i na kuchyňském stole, výroba aerogelu je technicky velmi náročná. Výchozí surovinou je gel tvořený oxidem křemičitým SiO₂ (pevná složka), vodou a kapalným oxidem uhličitým CO₂. Za velmi vysokého tlaku a teploty se z gelu odstraní kapalná složka a zůstane jen vzduchem vyplněná nesmírně pevná křemíková „síť“. Mnoho zajímavostí o historii, výrobě, vlastnostech a použití aerogelu najdete například v článku „Aerogely a kosmický prach“ (http://www.aldebaran.cz/bulletin/2003_40_aer.php ). Třípól psal o aerogelu zde: http://www.3pol.cz/cz/rubriky/bez-zarazeni/1619-aerogely-pevne-latky-lehci-vzduchu .

Testujeme vlastnosti aerogelu

Vraťme se k našemu bublinkovému „hadu“. S trochou fantazie si můžeme představit, že tenoučké stěny bublinek nejsou tvořeny vodou a saponátem, ale sítí molekul SiO₂. V tom případě budeme mít před sebou model aerosolu a můžeme si ověřit dvě jeho vlastnosti – malou hustotu a velkou pevnost:

• Bublinková pěna je skutečně velice lehounká - zkuste ji převážit na nějakých velice přesných laboratorních vahách;
• struktura pěny je pevná, takže unese například malé kousky kartonu. Zkuste jiné materiály – dřevíčko, špendlík, malou minci...

Námět na závěr

Připravte si různobarevné koncentrované roztoky potravinářského barviva. Namočte látku do saponátového roztoku, kápněte na ni několik barevných skvrn a foukejte. Ale raději někde venku na dlažbě!…