ฟองน้ำ ฟิสิกส์

นักฟิสิกส์ฝรั่งเศสทุบสถิติ สร้าง ‘ฟองอากาศ’ ที่อยู่ได้ไม่แตกนานที่สุดในโลกถึง 465 วัน !

ขึ้นชื่อว่าเป็นฟองอากาศ (Bubble) ตั้งแต่เรายังเล่นเป่าฟองสบู่เมื่อตอนเป็นเด็ก เราทราบกันดีว่าฟองสบู่นั้นอยู่ได้เพียงชั่วคราวก่อนหายไปในพริบตา แต่นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้เผยแพร่งานวิจัยชิ้นใหม่ที่ทำให้ฟองอากาศ (หรือฟองสบู่) ไม่ใช่แค่เป็นเรื่องชั่วคราวอีกต่อไป เพราะพวกเขาเพิ่งทุบสถิติในการสร้างฟองอากาศและรักษาสภาพเอาไว้ได้ยาวนานโดยไม่แตกตัวได้ยาวนานถึง 465 วัน หรือมากกว่า 1 ปีแล้ว

ฟองน้ำ ฟิสิกส์

‘อายเมริก รูส์’ (Aymeric Roux), อะเล็กซิส ดูเชน (Alexis Duchesne) และ ‘มิเกล บอว์โดออง’ (Michael Baudoin) ทีมผู้วิจัยผู้เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเลียล (Université de Lille) ประเทศฝรั่งเศส ได้เผยแพร่ผลงานการวิจัยในเว็บไซต์วารสาร ‘Physical Review Fluids’ เมื่อวันอังคารที่ 18 มกราคมที่ผ่านมา โดยพวกเขาได้รายงานเกี่ยวกับความสำเร็จในการคิดค้นและพัฒนาส่วนผสมในเชิงวัสดุ คุณสมบัติทางกายภาพ และคุณสมบัติทางเคมีของฟองอากาศ ให้สามารถคงอยู่ได้นานถึง 378 วัน ในช่วงที่ทีมวิจัยกำลังลงมือเขียนบทความการวิจัยชิ้นนี้ และคงอยู่ได้นานถึง 465 วัน (ประมาณ 1 ปี 3 เดือน) ในช่วงเวลาปัจจุบัน

โดยปกติแล้ว ฟองอากาศ หรือฟองสบู่ เกิดขึ้นจากโครงสร้างพื้นผิวที่ประกอบไปด้วยชั้นฟิล์มบาง ๆ 2 ชั้น และมีชั้นของเหลวอยู่ระหว่างพื้นผิวชั้นฟิล์ม แรงตึงผิว (Surface Tension) จะดึงโมเลกุลที่ผิวหน้าของของเหลวเข้าหากันจนหดตัวเพื่อทำให้ฟองอากาศมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด จนทำให้อากาศภายในฟองอากาศมีแรงดัน และทำให้ชั้นฟิล์มไม่สามารถหดตัวต่อไปได้อีก ซึ่งจะทำให้ฟองอากาศนั้นมีทรงกลม จนเมื่อฟองอากาศลอยไปสัมผัสกับพื้นผิวอื่น ๆ หรือเมื่อโมเลกุลของของเหลวที่อยู่ระหว่างชั้นผิวระเหยออกไปจนหมด จะทำให้ฟองอากาศแตกออกภายในไม่กี่วินาที

ฟองน้ำ ฟิสิกส์
ภาพการเปรียบเทียบเวลาคงตัวของฟองสบู่ 3 ประเภท (a) คือฟองสบู่ปกติ ที่แตกในเวลา 1 นาที (b) ลูกแก้วอากาศที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ พื้นผิวแตกออกภายใน 9 นาที และ (c) ลูกแก้วอากาศที่มีส่วนผสมของน้ำและกลีเซอรอล ในภาพนี้สามารถคงตัวเป็นทรงกลมอยู่ได้นาน 285 วัน หรือประมาณ 9 เดือน และเมื่อทดลองเจาะด้วยเข็ม พื้นผิวยังคงมีลักษณะเป็นชั้นฟิล์มบาง ๆ

ด้วยเหตุนี้ ทีมนักวิจัยจึงได้ทำการศึกษาวิจัยในด้านต่าง ๆ ทั้งในเชิงคุณสมบัติทางวัสดุ คุณสมบัติทางกายภาพ และคุณสมบัติทางเคมี จนสามารถพัฒนาสิ่งที่เรียกว่า ‘ลูกแก้วอากาศ’ (Gas Marbles) ซึ่งจริง ๆ แล้วลูกแก้วอากาศนี้ถูกค้นพบมาตั้งแต่ปี 2015 ซึ่งเกิดจากการสร้างชั้นฟิล์มของสารละลายพลาสติกโพลีสไตรีน (Polystyrene) คุณสมบัติทางโมเลกุลของโพลีสไตรีนจะเชื่อมกับของเหลวด้วยแรงตึงผิวเสมือนเป็นกาว ทำให้พื้นผิวของฟองสบู่นั้นมีโครงสร้างยืดหยุ่นมากพอที่จะใช้มือสะอาดจับอย่างเบามือ หรือกลิ้งไปมาบนพื้นผิวได้ เสมือนกับเป็นลูกแก้วที่ภายในที่ห่อหุ้มความดันอากาศ (Gas) อยู่

ฟองน้ำ ฟิสิกส์
‘ลูกแก้วอากาศ’ (Gas Marbles)

และด้วยหลักการใช้โมเลกุลของสารโพลิเมอร์ (พลาสติก) ในการสร้างพื้นผิวของฟองอากาศนี้เอง ทีมนักวิจัยจึงได้สร้างลูกแก้วอากาศขึ้นจากโมเลกุลของพลาสติกไนลอน (Nylon) สารกลีเซอรอล (Glycerol หรือกลีเซอรีน (Glycerine)) และน้ำ เพื่อทดลองการสร้างฟองอากาศที่มีความเสถียรมากกว่าเดิม ซึ่งการเคลือบฟองสบู่ด้วยโมเลกุลของไนลอน (Nylon) จะช่วยป้องกันไม่ให้ชั้นฟิล์มที่เป็นพื้นผิวของฟองสบู่ไหลย้อยตามแรงโน้มถ่วง และการเพิ่มกลีเซอรอล จะช่วยชะลอการระเหยของน้ำด้วยการดูดซับโมเลกุลของน้ำที่อยู่ในอากาศเข้ามาในตัวมันเอง ทั้งสองปรากฏการณ์นี้ช่วยเสริมความแข็งแรงให้แก่พื้นผิว ทำให้ฟองสบู่สามารถคงตัวอยู่ได้โดยไม่แตก แม้ว่ารูปร่างที่ได้อาจดูไม่สวยงามหรือเป็นสีรุ้งเหมือนกับฟองน้ำปกติที่เราเคยเห็นกัน

ฟองน้ำ ฟิสิกส์
มุมมองด้านข้างของลูกแก้วอากาศที่แตกตัวตามธรรมชาติ (b) มุมมองจากด้านบน
และ (c) มุมมองของลูกแก้วอากาศกลีเซอรอลอายุ 1 เดือนที่ถูกเจาะด้วยเข็ม

ในการทดลอง ทีมวิจัยได้ทดลองศึกษาเปรียบเทียบฟองสบู่ 3 แบบ ได้แก่ ฟองสบู่ปกติ ลูกแก้วอากาศที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ และลูกแก้วอากาศที่มีสารกลีเซอรอล โดยใช้เครื่องชั่งน้ำหนักและกล้อง การทดลองก็เป็นไปตามที่คาด ฟองสบู่ปกตินั้นแตกตัวหลังจากอยู่ได้ประมาณหนึ่งนาที ส่วนลูกแก้วอากาศที่ใช้น้ำ อยู่ได้นานก่อนจะแตกตัวออกโดยใช้เวลาเฉลี่ย 6 – 60 นาที ส่วนลูกแก้วอากาศที่มีส่วนผสมของกลีเซอรอลสามารถคงตัวอยู่ได้นานมาก ในการวิจัยพบว่าฟองสบู่โดยเฉลี่ยอยู่ได้นานถึง 101 วัน ส่วนฟองสบู่ที่อยู่ได้นานที่สุดนั้นอยู่ได้นานถึง 465 วัน หรืออยู่ต่อมาได้อีก 97 วันหลังจากเผยแพร่งานวิจัย โดยที่นักวิจัยยังไม่พบการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของพื้นผิวบนฟองสบู่ (ที่จะทำให้ฟองสบู่ฟองนี้แตก) อย่างมีนัยสำคัญ

ฟองน้ำ ฟิสิกส์
ภาพการทดสอบความคงตัวของชั้นฟิล์มบนก้านเป่าฟองอากาศ
ในภาพ (d) ชั้นฟิล์มที่มีส่วนผสมของน้ำและกลีเซอรอลสามารถคงตัวได้นานถึง 6 เดือน

ซึ่งถ้าสงสัยว่าเราจะทำให้ฟองสบู่อยู่ได้นานข้ามปีขนาดนี้ไปทำไม การทดลองนี้เป็นประโยชน์อย่างมากมายในแง่ของการนำไปต่อยอดพัฒนาในด้านต่าง ๆ เช่นพลศาสตร์ วัสดุศาสตร์ และเคมี เพื่อช่วยในการคิดค้นและพัฒนาผลิตภัณฑ์ในหลากหลายรูปแบบและหลากหลายจุดประสงค์ เช่น การช่วยป้องกันของเหลวในผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เช่น โฟม สเปรย์ และยาแบบพ่นละออง (Aerosol) ให้มีความคงตัวและระเหยช้าลง รวมถึงการพัฒนาชั้นฟิล์มบางเฉียบที่สามารถคงตัวได้ยาวนาน หรือพัฒนาฟองอากาศที่สามารถกักเก็บก๊าซที่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมที่ได้ด้วย


อ้างอิง | อ้างอิง | อ้างอิง

พิสูจน์อักษร : สุชยา เกษจำรัส

เราใช้คุกกี้เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพ และประสบการณ์ที่ดีในการใช้เว็บไซต์ของคุณ คุณสามารถศึกษารายละเอียดได้ที่ นโยบายความเป็นส่วนตัว และสามารถจัดการความเป็นส่วนตัวเองได้ของคุณได้เองโดยคลิกที่ ตั้งค่า

Privacy Preferences

คุณสามารถเลือกการตั้งค่าคุกกี้โดยเปิด/ปิด คุกกี้ในแต่ละประเภทได้ตามความต้องการ ยกเว้น คุกกี้ที่จำเป็น

Allow All
Manage Consent Preferences
  • Always Active

Save