Película de jabón

películas de jabón son finas capas de líquido (normalmente a base de agua) rodeadas de aire. Por ejemplo, si dos pompas de jabón entran en contacto, se fusionan y se crea una película delgada en el medio. Por lo tanto, las espumas están compuestas por una red de películas conectadas por los bordes de Plateau. Las películas de jabón se pueden usar como sistemas modelo para superficies mínimas, que se usan ampliamente en matemáticas.

Estabilidad

La experiencia diaria demuestra que la formación de pompas de jabón no es factible con agua ni con ningún líquido puro. En realidad, la presencia de jabón, que se compone a escala molecular de tensioactivos, es necesaria para estabilizar la película. La mayoría de las veces, los tensioactivos son anfifílicos, lo que significa que son moléculas con una parte hidrofóbica e hidrofílica. Por lo tanto, se disponen preferentemente en la interfaz aire/agua (ver figura 1).

Los surfactantes estabilizan las películas porque crean una repulsión entre ambas superficies de la película, evitando que se adelgace y, en consecuencia, reviente. Esto se puede demostrar cuantitativamente a través de cálculos relacionados con la presión de separación. Los principales mecanismos de repulsión son estéricos (los tensioactivos no pueden entrelazarse) y electrostáticos (si los tensioactivos están cargados).

Además, los tensioactivos hacen que la película sea más estable frente a las fluctuaciones de espesor debido al efecto Marangoni. Esto le da cierta elasticidad a la interfase: si las concentraciones superficiales no se dispersan homogéneamente en la superficie, las fuerzas de Marangoni tenderán a volver a homogeneizar la concentración superficial (ver figura 2).

Incluso en presencia de tensioactivos estabilizadores, una película de jabón no dura para siempre. El agua se evapora con el tiempo dependiendo de la humedad de la atmósfera. Además, en cuanto una película no está perfectamente horizontal, el líquido fluye hacia el fondo debido a la gravedad y el líquido se acumula en el fondo. En la parte superior, la película se adelgaza y revienta.

Importancia de la tensión superficial: superficies mínimas

Desde un punto de vista matemático, las películas de jabón son superficies mínimas. La tensión superficial es la energía que se requiere para producir la superficie, por unidad de área. Una película, como cualquier cuerpo o estructura, prefiere existir en un estado de mínima energía potencial. Para minimizar su energía, una gota de líquido en el espacio libre asume naturalmente una forma esférica, que tiene el área de superficie mínima para un volumen dado. Pueden existir charcos y películas en presencia de otras fuerzas, como la gravedad y la atracción intermolecular a los átomos de un sustrato. El último fenómeno se denomina humectación: las fuerzas de unión entre los átomos del sustrato y los átomos de la película pueden hacer que la energía total disminuya. En ese caso, la configuración de energía más baja para el cuerpo sería aquella en la que tantos átomos de película como sea posible estuvieran lo más cerca posible del sustrato. Eso daría como resultado una película infinitamente delgada, infinitamente extendida sobre el sustrato. En realidad, el efecto de la humectación adherente (causando la maximización de la superficie) y el efecto de la tensión superficial (causando la minimización de la superficie) se equilibrarían entre sí: la configuración estable puede ser una gota, un charco o una película delgada, dependiendo de las fuerzas que trabajan en el cuerpo.

Colores

Los colores iridiscentes de una película de jabón son causados por la interferencia de ondas de luz reflejadas (interna y externamente), un proceso llamado interferencia de película delgada y están determinados por el grosor de la película. Este fenómeno no es el mismo que el origen de los colores del arco iris (causado por la refracción de la luz reflejada internamente), sino que es el mismo que el fenómeno que causa los colores en una mancha de aceite en una carretera mojada.

Drenaje

Si se eligen bien los tensioactivos y se controlan adecuadamente la humedad atmosférica y los movimientos del aire, una película de jabón horizontal puede durar de minutos a horas. Por el contrario, una película de jabón vertical se ve afectada por la gravedad y, por lo tanto, el líquido tiende a drenarse, lo que hace que la película de jabón se adelgace en la parte superior. El color depende del grosor de la película, lo que explica las franjas de interferencia de color que se pueden ver en la parte superior de la figura 4.

Puntos negros

Durante las últimas etapas del drenaje, comienzan a formarse manchas negras con bordes afilados. Estas manchas son significativamente más delgadas (< 100 nm) que la película de jabón normal, lo que da lugar a su color de interferencia negro. La formación de puntos negros depende de la concentración del jabón y, además, existen dos tipos de películas negras:

• Películas negras comunes, alrededor de 50 nm de espesor, y
• Las películas negras de Newton, alrededor de 4 nm de espesor, requieren una mayor concentración de electrolitos. En estas películas las superficies de jabón externas se han juntado y pellizcado la mayor parte del líquido interno.

A medida que continúa el drenaje, los puntos negros finalmente se apoderan de toda la película de jabón y, a pesar de su extrema delgadez, la película negra final puede ser bastante estable y puede sobrevivir durante muchos minutos.

Estallido

Si una película de jabón es inestable, termina reventando. Un agujero se crea en algún lugar de la película y se abre muy rápidamente. La tensión superficial conduce a la minimización superficial y, por lo tanto, a la desaparición cinematográfica. La abertura del agujero no es instantánea y se ralentiza por la inercia líquida. El equilibrio entre las fuerzas de la inercia y la tensión superficial conduce a la velocidad de apertura: V=2γ γ *** *** h{displaystyle V={sqrt {frac {2gamma } {rho h}} Donde γ γ {displaystyle gamma } es la tensión de la superficie líquida, *** *** {displaystyle rho } es la densidad líquida y h{displaystyle h} es el espesor de la película.