吹泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)是(shi)大(da)家最(zui)熟悉不過的童(tong)年游戲了(le)。沾上一(yi)(yi)(yi)些(xie)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)水(shui)(shui)(shui)(shui)，輕(qing)輕(qing)吹一(yi)(yi)(yi)口氣，一(yi)(yi)(yi)串串五(wu)彩斑斕的泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)在(zai)陽光下隨風飄散(san)。泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)水(shui)(shui)(shui)(shui)用(yong)光了(le)后，爸(ba)媽(ma)又不愿意買一(yi)(yi)(yi)瓶新(xin)的，怎么辦？小腦袋靈光一(yi)(yi)(yi)閃，倒(dao)一(yi)(yi)(yi)點洗(xi)潔精或(huo)者(zhe)洗(xi)衣粉(fen)又或(huo)者(zhe)洗(xi)發露，兌水(shui)(shui)(shui)(shui)配成一(yi)(yi)(yi)瓶“泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)水(shui)(shui)(shui)(shui)”。可是(shi)這瓶“泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)水(shui)(shui)(shui)(shui)”怎么吹都(dou)吹不出買的泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)水(shui)(shui)(shui)(shui)那么多的泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)了(le)。這是(shi)為什么呢？

今天小編就來給大家解答這個童年迷思(si)，順便給大家一份配制泡(pao)泡(pao)水的秘(mi)籍。

神奇的表面張力

提到泡泡就不(bu)得不(bu)說(shuo)(shuo)一下表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張力(li)(li)(li)這個(ge)概念(nian)，兩種不(bu)同物(wu)態的(de)(de)(de)物(wu)質(zhi)之(zhi)(zhi)間界面(mian)(mian)(mian)(mian)上的(de)(de)(de)張力(li)(li)(li)被(bei)稱為表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張力(li)(li)(li)[1]。從分子(zi)(zi)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)層面(mian)(mian)(mian)(mian)來(lai)理解，表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張力(li)(li)(li)是(shi)由物(wu)質(zhi)內部的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)引力(li)(li)(li)導致的(de)(de)(de)。拿液體(ti)(ti)(ti)來(lai)說(shuo)(shuo)，液體(ti)(ti)(ti)內部分子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)引力(li)(li)(li)一般比氣(qi)體(ti)(ti)(ti)中分子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間或(huo)(huo)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)與液體(ti)(ti)(ti)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)分子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)引力(li)(li)(li)要大，使得液體(ti)(ti)(ti)收縮，表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)好似(si)緊繃的(de)(de)(de)一層膜(mo)。從能(neng)量的(de)(de)(de)角度來(lai)理解，表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)分子(zi)(zi)具有(you)較高的(de)(de)(de)分子(zi)(zi)勢能(neng)，為了達到低(di)能(neng)量的(de)(de)(de)穩定狀態，就需要減少(shao)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)分子(zi)(zi)的(de)(de)(de)暴露，減小液體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)積。要注意的(de)(de)(de)是(shi)，它雖然有(you)個(ge)名字中帶個(ge)“力(li)(li)(li)”，但實際上它的(de)(de)(de)單(dan)位是(shi)N/m或(huo)(huo)J/m2。

純水(shui)(shui)的(de)表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力為72.75N/m，乙(yi)醇的(de)表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力為22.55N/m，所以(yi)酒精的(de)表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力是要比純水(shui)(shui)小的(de)。減少純水(shui)(shui)的(de)表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力還可以(yi)往里面加入(ru)表(biao)(biao)面活(huo)性(xing)劑。所謂(wei)表(biao)(biao)面活(huo)性(xing)劑，就是能使溶(rong)液表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力顯著下降的(de)物質，表(biao)(biao)面活(huo)性(xing)劑一般為具有親水(shui)(shui)基團（“頭(tou)”）與(yu)疏水(shui)(shui)基團（“尾(wei)”）的(de)有機兩性(xing)分(fen)子。而溶(rong)于水(shui)(shui)中的(de)無機鹽則(ze)能增大表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力。

十二烷基硫酸鈉（看起來像毛毛蟲），表面(mian)活性劑(ji)的一種，被廣泛用(yong)于洗衣(yi)粉(fen)中|來源：Wikipedia

生活中的(de)許多現象都(dou)和表面(mian)張力有關，比如水(shui)黽(min)的(de)輕功(gong)水(shui)上(shang)漂，一分(fen)的(de)硬幣浮(fu)在水(shui)面(mian)上(shang)，《三體》的(de)曲率(lv)飛船的(de)原理（誤入）。

水(shui)(shui)黽(min)輕(qing)功水(shui)(shui)上漂(piao)，破了它的輕(qing)功很簡單，加點(dian)表面活性劑|來源：Wikipedia

在小(xiao)船的尾部滴(di)加洗滌劑，小(xiao)船尾部的表面(mian)張(zhang)(zhang)力小(xiao)，前(qian)方的表面(mian)張(zhang)(zhang)力大(da)，從(cong)而(er)將(jiang)小(xiao)船向前(qian)“拉”了過去

說(shuo)了(le)這么(me)多，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)力(li)和泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)到底有(you)什(shen)么(me)關(guan)系呢(ni)？純水的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)力(li)比較大(da)，不(bu)能(neng)形(xing)成(cheng)穩定的(de)(de)泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)，因為(wei)泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)的(de)(de)產生(sheng)會增(zeng)大(da)氣液間的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)積，使得表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)自由能(neng)增(zeng)大(da)，這是(shi)熱(re)力(li)學不(bu)穩定的(de)(de)。加入表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活性劑后，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活性劑的(de)(de)親水基(ji)團插(cha)入水相，疏(shu)水基(ji)團豎(shu)在(zai)(zai)空氣中，這樣降(jiang)低了(le)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)力(li)，讓(rang)泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)能(neng)穩定存在(zai)(zai)一段時間。從下(xia)面(mian)(mian)(mian)(mian)這張(zhang)(zhang)(zhang)圖(tu)中可以看(kan)出，泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)膜(mo)是(shi)三明治結構，兩(liang)側(ce)是(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活性劑，中間夾(jia)著一層(ceng)水，這一三明治結構對(dui)后面(mian)(mian)(mian)(mian)泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)水的(de)(de)配方至關(guan)重(zhong)要。

泡泡的結構

薄膜干涉

吹泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)時候，小朋友們(men)最迷戀的(de)(de)(de)就(jiu)是(shi)它彩(cai)(cai)虹般的(de)(de)(de)顏(yan)色，五彩(cai)(cai)斑(ban)斕，像被施(shi)了(le)魔法一樣。泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)顏(yan)色其(qi)實是(shi)一個很常(chang)見的(de)(de)(de)光學現象——薄膜(mo)干涉。

所謂薄(bo)膜干(gan)(gan)涉(she)，就(jiu)是一束光(guang)照射(she)于(yu)(yu)薄(bo)膜，由于(yu)(yu)折射(she)率不(bu)同(tong)，光(guang)會被(bei)薄(bo)膜的上界面與(yu)下界面分(fen)別(bie)反射(she)，因(yin)相(xiang)(xiang)互干(gan)(gan)涉(she)而形成新(xin)的光(guang)，這現象稱為薄(bo)膜干(gan)(gan)涉(she)[2]。新(xin)的光(guang)是上下界面反射(she)光(guang)的疊加(jia)，兩個界面的反射(she)光(guang)可(ke)能干(gan)(gan)涉(she)相(xiang)(xiang)長（強度(du)增加(jia)）或(huo)干(gan)(gan)涉(she)相(xiang)(xiang)消（強度(du)減(jian)小），這取決于(yu)(yu)它們的相(xiang)(xiang)位關系。

干涉相消（圖(tu)中沒把半(ban)波損失畫出(chu)來(lai)）|來(lai)源：Wikipedia

干涉相長（圖中沒把半波損失畫(hua)出來）|來源：Wikipedia

從上面圖中以(yi)(yi)看(kan)出，兩個界(jie)面的(de)(de)反射光(guang)(guang)的(de)(de)相(xiang)位關(guan)系不僅與入射光(guang)(guang)波(bo)的(de)(de)波(bo)長(chang)(chang)（顏色）有(you)關(guan)，與薄膜的(de)(de)厚度(du)也有(you)關(guan)。光(guang)(guang)程差(cha)為(wei)(wei)半(ban)波(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)偶數倍是干涉(she)相(xiang)消，光(guang)(guang)程差(cha)為(wei)(wei)半(ban)波(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)奇(qi)數倍時(shi)干涉(she)相(xiang)長(chang)(chang)（有(you)半(ban)波(bo)損(sun)失）。所(suo)以(yi)(yi)，我(wo)們(men)也就可以(yi)(yi)通(tong)過看(kan)泡泡的(de)(de)顏色來(lai)估計它的(de)(de)膜厚。

泡泡膜顏色與(yu)厚(hou)度的關(guan)系(xi)|來源：physics.stackexchange.com

泡泡膜顏色與(yu)厚度的關系|來源(yuan)：soapbubble.dk

相信大家都有經驗，如果泡(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)顏色變成了黃昏時天空的(de)那種(zhong)金色，就說明泡(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)快要破了。那么泡(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)變薄的(de)原因是(shi)什么呢，一是(shi)在重力作用下泡(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)水會向(xiang)下流動，二是(shi)泡(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)的(de)比(bi)表面(mian)積巨(ju)大，蒸發劇烈，使得泡(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)很快變薄。

大泡泡配方

有了上面(mian)那些(xie)知識，現在(zai)就來解答“為什(shen)么用洗潔精配成(cheng)的泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)水吹不(bu)出很(hen)多(duo)泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)”這(zhe)個(ge)童年迷思。

不知大家發(fa)現沒有(you)，自(zi)制(zhi)的(de)泡(pao)泡(pao)水吹出來的(de)泡(pao)泡(pao)顏色沒有(you)那(nei)么鮮艷(yan)，甚至有(you)點發(fa)灰，一下子就破了(le)。根據上(shang)面泡(pao)泡(pao)顏色和膜(mo)厚的(de)關(guan)系，就很好理解：自(zi)制(zhi)泡(pao)泡(pao)水吹出來的(de)泡(pao)泡(pao)的(de)膜(mo)很薄，很容易(yi)破。那(nei)怎(zen)樣才能讓泡(pao)泡(pao)膜(mo)變厚，并且(qie)維持比較長的(de)時間呢？

和(he)大家一樣，有很多(duo)人也對這件事兒好奇，所(suo)以就有個在線的(de)Wiki[3]，專門分享泡泡水的(de)配方和(he)將泡泡吹大、吹多(duo)的(de)方法。

確(que)實，泡泡水的配方可(ke)不(bu)是洗潔精加水那么簡單（那時的小腦(nao)袋想(xiang)盡辦法也不(bu)過是加大(da)洗潔精的濃度，或者(zhe)是換一種洗滌劑）。一般來說，有以下成分：去離子水、表面活性劑、甘油(you)、聚合物(wu)、pH調(diao)節(jie)劑。

下面小編(bian)來給大家一一解(jie)釋這些成分的作(zuo)用。

水(shui)是(shi)作為溶(rong)劑的(de)(de)(de)，這大家都知道，但為什么要強調用(yong)去(qu)離(li)子(zi)(zi)水(shui)？生活在水(shui)質比較硬(ying)的(de)(de)(de)地方小可愛就知道，用(yong)肥(fei)皂洗(xi)澡的(de)(de)(de)時候，會發現肥(fei)皂水(shui)上面(mian)(mian)有一層浮渣。這些浮渣大部(bu)分其實不是(shi)人體的(de)(de)(de)污(wu)垢，而是(shi)硬(ying)水(shui)中(zhong)的(de)(de)(de)鈣(gai)鎂離(li)子(zi)(zi)和肥(fei)皂中(zhong)的(de)(de)(de)硬(ying)脂酸(suan)鈉生成了(le)溶(rong)解度更小的(de)(de)(de)硬(ying)脂酸(suan)鈣(gai)和硬(ying)脂酸(suan)鎂，浮在了(le)水(shui)面(mian)(mian)上。所以，為了(le)讓表(biao)面(mian)(mian)活性劑發揮最好的(de)(de)(de)性能，最好用(yong)去(qu)離(li)子(zi)(zi)水(shui)。

在配(pei)方中當然少不了表面(mian)(mian)活性劑(ji)(ji)了，常見(jian)的(de)有(you)很(hen)多，洗潔精(jing)、洗手液、洗衣液等(deng)等(deng)都可(ke)以(yi)。至于甘油，其實沒有(you)什(shen)么特別的(de)作用(yong)，主要是(shi)因為下(xia)面(mian)(mian)要用(yong)到的(de)粘結劑(ji)(ji)不太溶于水，需要甘油來幫助它(ta)們(men)溶解。

至于泡(pao)泡(pao)水(shui)(shui)中(zhong)需要(yao)添加聚(ju)(ju)合物，很多(duo)人就(jiu)可能就(jiu)不(bu)知道了。它不(bu)僅(jin)能讓泡(pao)泡(pao)膜(mo)變厚，還能讓泡(pao)泡(pao)延展開來后更不(bu)容易破(po)裂。還記得前面說到了泡(pao)泡(pao)膜(mo)的(de)(de)三明(ming)治結構嗎？聚(ju)(ju)合物也有(you)減緩(huan)泡(pao)泡(pao)膜(mo)水(shui)(shui)分蒸發(fa)的(de)(de)作用，讓泡(pao)泡(pao)維持更長的(de)(de)時(shi)間(jian)。常見的(de)(de)聚(ju)(ju)合物添加劑(ji)有(you)聚(ju)(ju)環(huan)氧乙(yi)烷（PEO）、瓜爾豆(dou)膠、聚(ju)(ju)乙(yi)烯(xi)醇(chun)（PVA，膠水(shui)(shui)中(zhong)的(de)(de)就(jiu)是它）等。

聚(ju)環氧乙烷PEO|來源(yuan)：Wikipedia

瓜爾(er)豆膠|來源：Wikipedia

說到泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)水(shui)中的(de)(de)聚合物(wu)，就(jiu)不(bu)得不(bu)說一下美國(guo)埃默里大(da)(da)學的(de)(de)賈斯汀·伯(bo)頓（Justin Burton）副教授。他(ta)在巴塞(sai)羅那(nei)(nei)開會的(de)(de)時(shi)候看見街頭藝人表(biao)演吹(chui)出了(le)(le)巨大(da)(da)的(de)(de)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)，不(bu)由得想知道巨大(da)(da)的(de)(de)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)為(wei)什么(me)能(neng)(neng)維持那(nei)(nei)么(me)大(da)(da)的(de)(de)表(biao)面積而不(bu)至于破(po)裂[4]。于是(shi)他(ta)回到家研(yan)究泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)配方，并發(fa)現了(le)(le)Soap Bubble Wiki這(zhe)個(ge)網站（就(jiu)是(shi)參考資料(liao)(liao)[3]的(de)(de)那(nei)(nei)個(ge)網站）。經過(guo)實驗，他(ta)發(fa)現聚合物(wu)對大(da)(da)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)(de)產生(sheng)起(qi)了(le)(le)至關重要的(de)(de)作用。于是(shi)他(ta)就(jiu)指(zhi)導(dao)自己的(de)(de)研(yan)究生(sheng)在實驗室吹(chui)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)玩，研(yan)究聚合物(wu)究竟為(wei)何(he)能(neng)(neng)讓大(da)(da)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)不(bu)易破(po)裂。然后(hou)就(jiu)在Physical Review Fluids上發(fa)了(le)(le)一篇論(lun)文（見參考資料(liao)(liao)[5]），并且他(ta)的(de)(de)研(yan)究生(sheng)還憑這(zhe)個(ge)工作碩士畢業(ye)了(le)(le)（這(zhe)也可以？？？）。

言(yan)歸正傳，配方中的pH調(diao)節劑(ji)主要是泡(pao)(pao)打粉、檸(ning)檬酸等。其實不用這(zhe)些pH調(diao)節劑(ji)就可以(yi)獲得很好的泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)水了，但是一(yi)些人發現加了pH調(diao)節劑(ji)后可以(yi)讓泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)更(geng)容易閉合，并(bing)且(qie)延長泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)的壽命(ming)。

Soap Bubble Wiki給初學者提供了一(yi)個(ge)入門(men)配方，請(qing)大(da)家備(bei)好(hao)小(xiao)馬扎：1kg去(qu)離子水，40~65g洗(xi)潔精(jing)、1.5g瓜爾豆膠，2g泡(pao)(pao)(pao)(pao)打(da)粉，適(shi)量甘油或酒精(jing)[6]。除了配方，吹(chui)大(da)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)的工(gong)具也很(hen)重要，下(xia)面這種自制的工(gong)具能(neng)吸取(qu)盡(jin)可能(neng)多的泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)水，吹(chui)出(chu)大(da)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)。還專門(men)有個(ge)網站收集(ji)大(da)泡(pao)(pao)(pao)(pao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)的世界紀錄（見(jian)參考(kao)資料(liao)[7]）。

吹大(da)泡(pao)泡(pao)工具示(shi)意圖|來源：Soap Bubble Wiki

吹(chui)大泡泡工具(ju)成(cheng)品|來源：Soap Bubble Wiki

有誰童(tong)年(nian)的(de)時候(hou)不想吹個(ge)大泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)呢？但是，當知道怎么吹大泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)的(de)時候(hou)，小時候(hou)無(wu)憂無(wu)慮的(de)日子也(ye)像那(nei)五彩斑斕的(de)泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)一(yi)樣隨風飄散(san)了，真(zhen)讓(rang)人懷念。

來(lai)源：Soap Bubble Wiki

來源：Soap Bubble Wiki

參考資料

[1]表(biao)面張力

[2]薄膜干涉

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

[4]//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]//soapbubble.fandom.com/wiki/Recipes_Guar

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