Fluidik: Schaumschlägerei
Seifenblasen sind äußerst fragile Gebilde. Solange kein Lufthauch sie eindrückt, bilden sie nahezu perfekte Kugeln - bis sie platzen. Mit einem Trick lassen sie sich jetzt auch stabil in nahezu beliebige Formen zwingen.
Ganz oben links, gleich an der Eingangstür der Bibliothek des Fachbereichs für Angewandte Physik in Hamburg, stand eingequetscht zwischen dicken Wälzern ein kleines dünnes Büchlein: Die Physik der Seifenblase. Ein Scherz? Der Physiker Sinn für Humor? Leider nein: Schon der Blick auf die ersten Seiten ließ einen erschauern und es schnell wieder zurückstellen. Staubtrocken und bitterernst gemeint, handelte es von dünnen Schichten und Flüssigkeiten, Oberflächenspannungen, Gasdrücken und dem Laplace'schen Gesetz. Schöner war da die Praxis, die man nicht nur im Selbstversuch bereits als Kind erworben hatte, sondern gleichfalls durch das faszinierende Schauspiel echter Künstler auf diesem Gebiet miterleben durfte – wenn einen beispielsweise der schweizerische Clown Pic mit dem Spiel riesiger Seifenblasen verzauberte.
Normalerweise sind die Gaseinschlüsse rund. Um möglichst lange existieren zu können, versuchen die äußerst instabilen Gebilde dem von außen wirkenden Druck eine möglichst kleine Angriffsfläche zu bieten. Da die Kugel als geometrischer Körper bei gegebenem Volumen eine minimale Oberfläche ausbildet, ist diese Form dafür perfekt. Deshalb strebt ein Gasbläschen – ebenso wie ein Tröpfchen Flüssigkeit übrigens – diesen Idealzustand an. Ist das Bläschen ungestört, gelingt es ihm normalerweise auch.
Andere Formen entstehen nur zeitweise, beispielsweise in dem Moment, wo ein mehr oder weniger großes Kind durch den Ring mit der Seifenlauge pustet, um mit dem luftigen Glitzerspiel zu beginnen. Bevor sich der Flüssigkeitsfilm vom Reif löst, sieht er schlauchförmig aus. Erst wenn er sich vom Ring abnabelt, nimmt er die Kugelform an. Auf diese Weise hat auch der Clown Pic seine riesigen Röhren aus Seifenlauge gezaubert: Statt zu pusten, wirbelte er geschickt sein mit Seife durchtränktes Drahtgestell durch die Luft.
Die wissenschaftlichen Schaumschläger sind sich sicher, dass ihre Entdeckung von beachtlicher Tragweite ist. "Bläschen und Tröpfchen kommen in vielen Produkten vor", meint Stone. "Nun haben wir eine Möglichkeit geschaffen, deren Gestalt je nach gewünschter Konsistenz oder Beschaffenheit beispielsweise für Eiskrem oder Rasierschaum anzupassen." Zugleich haben er und seine Kollegen die Medizin und Pharmaindustrie im Blick: Mit länglichen Gaskäfigen ließen sich eventuell Medikamente, Vitamine, Marker oder einfach nur Aromastoffe auf ganz andere Weise in den Körper eines Patienten bringen als mit kugelförmigen. Mit den Experimenten aus der Harvard-Universität ist die Bühne für Anwendungen eröffnet. Jetzt müssen sich nur noch die Akteure melden.
Ob Anand Bala Subramaniam und sein Kollege Howard Stone von der Abteilung für Ingenieurwesen und Angewandte Wissenschaften der Harvard-Universität ähnliche Begeisterungsstürme auslösen werden, steht noch in den Sternen. Schließlich ist ihre Arbeit nicht fürs große Publikum gedacht. Sie soll nutzbringend sein – wenn auch noch nicht ganz klar ist, für wen. Aber das ist ja typisch für Arbeiten der Grundlagenforschung. Pic jedoch könnte durchaus interessiert sein, denn: Bala Subramaniam und Stone können Bläschen fast nach Belieben formen.
Normalerweise sind die Gaseinschlüsse rund. Um möglichst lange existieren zu können, versuchen die äußerst instabilen Gebilde dem von außen wirkenden Druck eine möglichst kleine Angriffsfläche zu bieten. Da die Kugel als geometrischer Körper bei gegebenem Volumen eine minimale Oberfläche ausbildet, ist diese Form dafür perfekt. Deshalb strebt ein Gasbläschen – ebenso wie ein Tröpfchen Flüssigkeit übrigens – diesen Idealzustand an. Ist das Bläschen ungestört, gelingt es ihm normalerweise auch.
Andere Formen entstehen nur zeitweise, beispielsweise in dem Moment, wo ein mehr oder weniger großes Kind durch den Ring mit der Seifenlauge pustet, um mit dem luftigen Glitzerspiel zu beginnen. Bevor sich der Flüssigkeitsfilm vom Reif löst, sieht er schlauchförmig aus. Erst wenn er sich vom Ring abnabelt, nimmt er die Kugelform an. Auf diese Weise hat auch der Clown Pic seine riesigen Röhren aus Seifenlauge gezaubert: Statt zu pusten, wirbelte er geschickt sein mit Seife durchtränktes Drahtgestell durch die Luft.
Im Gegensatz dazu können Subramaniam und Stone nun Bläschen formen, die dauerhaft ihre ungewöhliche Form beibehalten – mit einem kleinen Kniff: Sie bedeckten die Feuchtigkeitsfilme mit Mikrometer kleinen Kügelchen aus Styropor, Polymethylmethacrylat, Gold oder Zirkoniumoxid, welche die Oberflächenspannungen verändern. Infolgedessen streben beispielsweise zwei Bläschen, die sich unter einem äußeren Druck vereinigen, nachher nicht mehr die Kugelform an, sondern bleiben eher wurstförmig. So gelang es der Arbeitsgruppe um Subramaniam und Stone, den luftigen Gebilden eine Delle zu verpassen oder sie sogar zu kleinen Doughnuts zu formen.
Die wissenschaftlichen Schaumschläger sind sich sicher, dass ihre Entdeckung von beachtlicher Tragweite ist. "Bläschen und Tröpfchen kommen in vielen Produkten vor", meint Stone. "Nun haben wir eine Möglichkeit geschaffen, deren Gestalt je nach gewünschter Konsistenz oder Beschaffenheit beispielsweise für Eiskrem oder Rasierschaum anzupassen." Zugleich haben er und seine Kollegen die Medizin und Pharmaindustrie im Blick: Mit länglichen Gaskäfigen ließen sich eventuell Medikamente, Vitamine, Marker oder einfach nur Aromastoffe auf ganz andere Weise in den Körper eines Patienten bringen als mit kugelförmigen. Mit den Experimenten aus der Harvard-Universität ist die Bühne für Anwendungen eröffnet. Jetzt müssen sich nur noch die Akteure melden.
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