Riesenseifenblasen

Riesenseifenblasen

Infos zu Riesenseifenblasen

Eine Riesenseifenblase ist ein dünner Film Seifenwasser, der eine hohle Kugel mit schillernder Oberfläche formt. Doch warum entstehen eigentlich Kugeln und nicht andere Formen?

Die Erzeugung von Riesenseifenblasen ist möglich, da die Oberfläche einer Flüssigkeit – in diesem Falle des Wassers – eine Oberflächenspannung besitzt, die zu einem elastischen Verhalten der Oberfläche führt.
Häufig wird angenommen, dass die Seife nötig ist, um die Oberflächenspannung des Wassers zu vergrößern. Das Gegenteil ist jedoch der Fall: Die Oberflächenspannung des Seifenwassers ist nur etwa ein Drittel so groß, wie die des Wassers. Riesenseifenblasen mit reinem Wasser zu machen ist so schwierig, weil die Oberflächenspannung zu hoch ist, wodurch die Blase sofort zerplatzt. Zusätzlich verlangsamt die Seife die Verdunstung, so dass die Blasen länger halten.
Die Oberflächenspannung ist ebenfalls der Grund für die kugelförmige Gestalt der Seifenblasen. Ein Seifenfilm formt nämlich eine natürliche Minimalfläche. Durch Minimierung der Oberfläche zwingt die Oberflächenspannung die Blase in diese Form, da von allen möglichen Formen zu einem gegebenen Volumen die Kugel die kleinste Oberfläche aufweist.
Ohne äußere Kräfte, insbesondere der Schwerkraft in Kombination mit Luftreibung, würden alle Blasen ideale Kugelform besitzen. Aufgrund ihres geringen Eigengewichts kommen Seifenblasen diesem Ideal in der Realität sehr nahe.
Bei den Versuchen werdet ihr feststellen, dass ein Seifenfilm immer die kleinste mögliche Oberfläche bildet.

Aufbau Riesenseifenblasen

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Riesenseifenblasen bestehen aus einem dünnen (dipolaren) Wasserfilm, an dem sich innen und außen Seifenmoleküle anlagern mit einer dem Wasser zugewandten polaren, hydrophilen Carboxylat-Gruppe und einem dem Wasser abgewandten unpolaren, hydrophoben Alkylrest. Der Aufbau ähnelt dem von Biomembranen, jedoch befindet sich bei Seifenblasen das Wasser innerhalb der Membran, nicht außerhalb.

Weshalb Rieseneifenblasen platzen

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Eine Riesenseifenblase entsteht, wenn sich ein dünner Wasserfilm mit Seifenmolekülen vermischt. Beim Aufblasen entsteht eine Kugelform. Infolge des gravitationsbedingten Auslaufens (Drainage) der zwischen den Seifenfilmoberflächen befindlichen Flüssigkeit dünnt eine Riesenseifenblase in ihrem oberen Teil zunehmend aus. Man kann das beobachten, wenn man eine Seifenlamelle in eine Tassenöffnung zieht und dann senkrecht hält. Zudem erfolgt im Laufe des Auslaufprozesses eine Anreicherung von Seifenfilm-stabilisierenden Tensidmolekülen im unteren Bereich der Seifenblase, so dass deren obere Region infolge des relativen Mangels von an die Oberfläche adsorbierten Tensidmolekülen zusätzlich destabilisiert wird. Tatsächlich platzen die meisten Seifenblasen im oberen Teil. Das Verdunsten kann man behindern, indem man die Seifenblase in ein Einmachglas „sperrt“. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer der Blase erheblich.

Die Schichtdicke der Seifenblase lässt sich auch beobachten: Spiegelt die Oberfläche in bunten Interferenzfarben, ist die Schichtdicke vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichts. Bei abnehmender Schichtdicke wird die Seifenhaut zunächst farblos und zum Schluss dunkel.

Physikalische Grundlagen

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Oberflächenspannung

Die Erzeugung von Seifenblasen ist möglich, da die Oberfläche einer Flüssigkeit – in diesem Falle des Wassers – eine Oberflächenspannung besitzt, die zu einem elastischen Verhalten der Oberfläche führt. Häufig wird angenommen, dass die Seife nötig ist, um die Oberflächenspannung des Wassers zu vergrößern. Das Gegenteil ist jedoch der Fall: Die Oberflächenspannung des Seifenwassers ist nur etwa ein Drittel so groß wie die des Wassers. Seifenblasen mit reinem Wasser zu machen ist so schwierig, weil die Oberflächenspannung zu hoch ist, wodurch die Blase sofort zerplatzt. Zusätzlich verlangsamt die Seife die Verdunstung, so dass die Blasen länger halten. Der Luftdruck in einer Seifenblase ist höher als der Druck außerhalb, siehe dazu unter Young-Laplace-Gleichung.

Kugelform

Die Oberflächenspannung ist ebenfalls der Grund für die kugelförmige Gestalt der Seifenblasen. Durch Minimierung der Oberfläche zwingt sie die Blase in diese Form, da von allen möglichen Formen zu einem gegebenen Volumen die Kugel die kleinste Oberfläche aufweist. Ohne äußere Kräfte (insbesondere Schwerkraft in Kombination mit Luftreibung) würden alle Blasen ideale Kugelform besitzen. Auf Grund ihres geringen Eigengewichts kommen Seifenblasen diesem Ideal in der Realität sehr nahe.


Mehrere verbundene Riesenseifenblasen

Wenn zwei Seifenblasen aufeinander treffen, wirken die selben Prinzipien weiterhin, und die Blasen nehmen die Form mit der kleinsten Oberfläche an. Ihre gemeinsame Wand wölbt sich in die größere Blase hinein, da eine kleinere Seifenblase einen höheren Innendruck besitzt. Wenn beide Seifenblasen gleich groß sind, entsteht keine Wölbung, und die Trennwand ist flach.

Plateaus Regeln besagen, dass beim Zusammentreffen mehrerer Riesenseifenblasen alle Winkel gleich groß sind. In einem Schaum mit vielen Blasen treffen immer jeweils drei Flächen in einem Winkel von 120° zusammen. Hierbei ist die Oberfläche gleichfalls minimal. Durch die gleiche Oberflächenspannung entsteht ein Kräftegleichgewicht. Jeweils vier Kanten treffen sich unter einem Winkel von etwa 109° 28' 16" in einem Knoten, auch als Vertex bezeichnet. Diese Regeln wurden im neunzehnten Jahrhundert aufgrund von experimentellen Untersuchungen vom belgischen Physiker Joseph Plateau aufgestellt.

Interferenz und Reflexion

Die schillernden Farben entstehen durch Interferenz von Lichtwellen an der dünnen Seifenhaut. Die Interferenz führt innerhalb eines bestimmten Betrachtungswinkel zur Auslöschung eines Teils des Farbspektrums. Der verbleibende Teil wird farbig wahrgenommen, da nur das komplette Farbspektrum weißes Licht ergibt.

Da die Wand einer Riesenseifenblase eine gewisse Dicke hat, wird einfallendes Licht zweimal reflektiert – einmal an jeder Seite der Wand (s. erstes Bild). Die leicht unterschiedlichen Weglängen der beiden Lichtstrahlen (und besondere Effekte an der äußeren Wand, s. u.) führen zu einem Gangunterschied zwischen ihnen. Wenn der Gangunterschied genau die Hälfte einer Wellenlänge beträgt, fallen die Wellentäler des einen Strahls mit den Wellenbergen des anderen zusammen (s. zweites Bild). In der Summe ergibt sich Null, also eine Auslöschung der entsprechenden Farbe. Dies nennt man destruktive Interferenz, im Gegensatz zur konstruktiven Interferenz, bei der sich die beiden Strahlen durch einen anderen Gangunterschied positiv überlagern (drittes Bild).

Die tatsächliche Farbe der Riesenseifenblase (d. h. die Wellenlänge des ausgelöschten Lichtes, beziehungsweise die Länge des Gangunterschiedes), ist abhängig von der Dicke der Seifenhaut und des Beleuchtungswinkels der Oberfläche. Die Abhängigkeit von der Schichtdicke kann beobachtet werden, wenn die Seifenblase durch Verdunstung ausdünnt. Mit abnehmender Dicke werden jeweils andere Farben ausgelöscht. Letztlich, wenn die Dicke der Wand kleiner ist als die Hälfte der kleinsten Wellenlänge sichtbaren Lichts, löschen sich keine sichtbaren Lichtwellen gegenseitig aus und es können keine Komplementärfarben mehr beobachtet werden. In diesem Zustand ist die Seifenblasenwand dünner als zwei Zehntausendstel eines Millimeters. Bei noch kleinerer Schichtdicke kann man aufgrund anderer Effekte (s. u.) dunkle Flecken beobachten − sie wird wahrscheinlich im nächsten Moment zerplatzen.

Die Voraussetzung für Interferenzerscheinungen, die Kohärenz (Physik) der Wellenzüge, ist wegen der Dünne der Schicht erfüllt. Zusätzlich zur unterschiedlichen geometrischen Weglänge trägt hier noch ein anderer Effekt zum Gangunterschied bei: Die direkt an der Grenzfläche Luft-Seifenhaut (Punkt X im ersten Bild) reflektierte Welle erfährt einen Phasensprung um π bzw. während die Phase der transmittierten Welle auch nach der Reflexion an der Grenzfläche Seifenhaut-Luft (Punkt O im Schaubild) unverändert ist. Hier findet kein Phasensprung statt. Der gesamte Gangunterschied setzt sich aus den unterschiedlichen Weglängen und dem Phasensprung bei der Reflexion an der äußeren Grenzfläche zusammen. Dies erklärt auch die Verdunkelung der Blase im unmittelbaren Moment vor dem Zerplatzen, wenn die Dicke der Seifenhaut auf einen sehr kleinen Wert gesunken ist: Dies liegt darin begründet, dass die transmittierte Welle, die zuvor den längeren Weg durch die Seifenhaut nahm, nun praktisch keine längere Distanz zurücklegt als die direkte reflektierte Welle und sich deshalb ihre Phase relativ zu dieser nicht ändert. Die reflektierte Welle hat allerdings den oben erwähnten Phasensprung erfahren was zur destruktiven Interferenz (Auslöschung) aller Wellen führt.

Hätte eine Seifenblase überall die gleiche Wandstärke, so würde der Gangunterschied nur durch den Beleuchtungswinkel definiert, und sie würde einen gleichmäßigen Farbverlauf zeigen. Da der Flüssigkeitsfilm in einer Seifenblase, die sich durch eine Luftströmung bewegt, jedoch durch Luftreibung verwirbelt wird, ist die Wandstärke nicht homogen. Unter günstigen Bedingungen kann man diese Verwirbelungen mit bloßen Auge sehen. Schwebt die Seifenblase aber relativ ruhig, treten nur wenige Verwirbelungen auf: Man kann einzelne relativ gleichmäßige Farbbänder beobachten. Die meistens vorhandenen Dickeschwankungen aufgrund der Gravitationskraft sind relativ gleichförmig und stören den gleichmäßigen Farbverlauf nicht prinzipiell.

In einem ebenen Seifenfilm sind diese Farben einfacher sichtbar zu machen. Solch ein ebener Film kann z.B. in einem rechteckigen oder kreisrunden Rahmen aus dünnen Polymer-Fasern oder dünnem Draht geformt werden. Optimale Bedingungen für die Sichtbarkeit der Interferenzfarben sind hier eine indirekte Beleuchtung (z. B. ein Blatt weißes Papier, das von einer Halogenlampe angestrahlt wird) mit 45 Grad Einfallswinkel und Beobachtung in Reflexion bei 45 Grad Ausfallswinkel. Der Hintergrund hinter dem Seifenfilm sollte dunkel sein. An den Rändern bildet der Film einen Meniskus (Hydrostatik) entweder mit dem Rahmen oder mit einem Flüssigkeits-Reservoir am unteren Ende des Films. In letzterem Fall ist eine Kombination aus Gravitation und Kapillarkraft die treibende Kraft, die eine inhomogene Filmdicke bewirkt. Verwirbelungen und ästhetische bewegte Muster im Bereich des Meniskus und an den Rändern mit dem Rahmen kommen durch hydrodynamische Instabilitäten zustande, bei denen höchstwahrscheinlich der Marangoni-Effekt eine wichtige Rolle spielt.

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