Ученые создали идеальную пену

Идеальная пена – из теории в реальность.

По мнению ученых, пузырьки в идеальной пене должны иметь одинаковый размер и форму, отвечающую наименьшим затратам энергии. Для этого площадь поверхности пузырьков должна быть оптимальной для поддержания стабильности их граней. В XIX веке бельгийский ученый [url=http://ru.wikipedia.org/wiki/Плато,_Жозеф_Антуан_Фердинанд]Жозеф Антуан Плато[/url] (J. A. P. Plateau) рассчитал, что три мыльных пузырька образуют стабильную структуру, если их грани расположены под углом 120°, а четыре мыльных пузырька должны сформировать тетраэдр, грани которого сходятся под углом приблизительно 109,5°.

Какую же форму должны иметь пузырьки, чтобы общая площадь поверхности была минимальной и удовлетворяла правилу Плато? Иными словами, какую форму принимают при сжатии воздушные шары или любые другие мягкие сферы? В течение нескольких веков ученые, включая французского зоолога [url=http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%FE%F4%F4%EE%ED,_%C6%EE%F0%E6-%CB%F3%E8_%CB%E5%EA%EB%E5%F0%EA_%E4%E5]Жоржа Бюффона[/url] (Georges Buffon), изучали этот вопрос, используя в качестве модели свинцовую дробь и зеленый горошек. В 1887 г. ирландский ученый Лорд Кельвин ([url=http://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EC%F1%EE%ED,_%D3%E8%EB%FC%FF%EC_(%EB%EE%F0%E4_%CA%E5%EB%FC%E2%E8%ED)]Уильям Томсон[/url]) предложил структуру идеальной пены, в которой элементы имеют форму усеченного октаэдра с восемью шестиугольными гранями и шестью квадратными гранями. При этом грани элемента должны быть немного изогнуты, чтобы лучше удовлетворять правилу Плато.

Долгое время решение проблемы, предложенное Кельвином, считалось оптимальным, однако в 1994 г. Дэнис Уэйр (Denis Weair) и его коллега Роберт Фелан (Robert Phelan) из Университета Тринити в Дублине, проводившие компьютерное моделирование структуры пены, почти случайно обнаружили вариант с меньшей площадью контакта. Оказалось, что сама природа дала отличную подсказку. Целое семейство природных химических соединений, называемых клатратами, образует решетчатые упорядоченные структуры, напоминающие пену идеальной формы. Изучив структуру клатратов, Уэйр и Фелан создали идеальный пузырек, который оказался оптимальнее тетрадекаэдра Кельвина. В элемент структуры Уэйра-Фелана входят восемь многогранников двух типов: два додекаэдра и шесть тетрадекаэдров с двумя шестиугольными и двенадцатью пятиугольными гранями, также несколько искривленными.

Но возможно ли получить такую структуру в реальности? Ученые не смогли получить идеальную пену во время экспериментальных исследований, проводимых с моющими средствами. Лишь недавно физик Руджеро Габриэлли (Ruggero Gabbrielli) из Университета Тренто (University of Trento, Италия) воплотил в реальность теоретическую модель пены, создав контейнер, имеющий стенки нужной формы. Обычные контейнеры имеют плоские стенки, и пена Уэйра-Фелана не может в них образоваться. Габриэлли предположил, что пену Уэйра-Фелана можно получить в контейнере, стенки которого имеют аналогичную форму, что и элементы пены. Габриэлли совместно с Уэйром и его коллегами, а также математиком Кеннетом Брекке (Kenneth Brakke) из Университета Саскуэханна (Susquehanna University, США) разработал и получил из пластика необходимую форму контейнера.

После того как Габриэлли наполнил разработанный контейнер пузырьками одинакового размера, он обнаружил, что шесть слоев пены, состоящих приблизительно из 1,5 тыс. пузырьков, собрались в структуру Уэйра-Фелана.

Однако это не первый пример практического изготовления пены Уэйра-Фелана. Впервые структура была применена при строительстве здания Олимпийского центра водных видов спорта в Пекине. Стены и потолок кубического здания в буквальном смысле слова состоят из огромных пузырей различных размеров, расположенных, на первый взгляд, произвольно. Но кажущаяся хаотичность является результатом упорного труда и точнейших математических расчетов.



Идеальная пена Уэйра-Фелана (фото: Ruggero Gabbrielli)

Оригинальный текст: Philipp Ball

По материалам NatureNews