Wissenschaft in einer Blase

Professor Howard Stone erläuterte während der jährlichen SEAS Holiday Lecture am 18. Dezember die Wissenschaft, die mit der Bildung von Blasen zu tun hat. (Foto von Eliza Grinnell/SEAS Communications.)

Lassen Sie eine Büroklammer in ein Glas Wasser fallen und es sinkt schnell auf den Boden. Aber legen Sie dieselbe Büroklammer vorsichtig auf die Wasseroberfläche und sie schwimmt.

Warum verhält sich die Büroklammer anders? Die gegensätzlichen Ergebnisse werden durch die Oberflächenspannung verursacht, erklärte Professor Howard Stone während der 15. jährlichen Ferienvorlesung an der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences am 18. Dezember.

An den Grenzflächen von Wasser und Luft entsteht Oberflächenspannung, weil Wassermoleküle eine stärkere gegenseitige Anziehungskraft haben als Luftmoleküle, wodurch eine nach innen gerichtete Kraft auf die Oberfläche der Flüssigkeit ausgeübt wird, die sich so verhält, als wäre sie mit einer dünnen Membran bedeckt.

Das Büroklammer-Experiment war eine von mehreren interaktiven Demonstrationen, die Stone, ein ehemaliges Mitglied der Harvard-Fakultät und jetzt Dixon-Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Princeton University, nutzte, um Hunderten von einheimischen Kindern und ihren Eltern die Kraft der Wissenschaft zu demonstrieren.

Stone blies zusammen mit dem Forschungsassistenten Daniel Rosenberg Blasen, ließ einen Wasserballon platzen, verglich die Größe von Wasser- und Ethanoltröpfchen, ließ ein Stück Schnur über die Wasseroberfläche schweben und zeigte Zeitlupenvideos von Wasserläufern in Aktion – alles um die Auswirkungen der Oberflächenspannung zu erklären.

Stone (links) und Rosenberg lassen einen Wasserballon platzen, um zu zeigen, wie sich Oberflächenspannung und Schwerkraft auf die Form des Wassers beim Fallen auswirken. (Foto von Eliza Grinnell/SEAS Communications.)

Diese Oberflächenspannung wird gestört, sodass die Büroklammern in Stones Experiment auf den Boden des Wassertanks fallen, wenn dem Wasser nur ein paar Tropfen Seife hinzugefügt werden.

Der Seifenfilm, der sich auf der Wasseroberfläche bildet, ist ein weiteres Beispiel dafür, wie Kräfte an Grenzflächen einzigartige Eigenschaften erzeugen, erklärte Stone. Seifenmoleküle bestehen aus hydrophilen und hydrophoben Komponenten; Die hydrophoben Komponenten dringen durch die Wassermoleküle hindurch, um zu entweichen, und bilden einen Film aus zwei Reihen von Seifenmolekülen, die durch eine dünne Flüssigkeitsschicht getrennt sind.

„Wir betrachten den Seifenfilm als Tauziehen“, sagte er. „Der gesamte Film steht unter Druck und zerrt an sich.“

Die Kinder im Publikum wurden aufgefordert, diesen chemischen Prozess zu veranschaulichen. Vorne im Hörsaal standen Kinder in T-Shirts mit der Aufschrift „hydrophob“ oder „hydrophil“ und spielten die Rollen von Seifenmolekülen. Auf beiden Seiten standen Kinder in blauen Hemden, die Wassermoleküle symbolisierten. Mit greifenden Händen schlängelte sich der menschliche Seifenfilm über die Vorderseite des Hörsaals und löste bei den Eltern auf ihren Sitzen Jubel aus.

Stone leitet die Kinder an, während sie die Bildung eines Seifenfilms nachspielen. (Foto von Eliza Grinnell/SEAS Communications.)

Für die 9-jährige Rachel Liu war es der spaßigste Teil des Vortrags, eine chemische Reaktion nachspielen zu können. Ihr besonderes Interesse galt den hydrophilen und hydrophoben Bestandteilen von Seifenmolekülen.

„Die Wissenschaft sagt uns viel über die Welt um uns herum“, sagte sie.

Nachdem er Stones Vortrag gehört hatte, sagte der 8-jährige Walter Hopwood, dass er Seifenblasen nicht länger als selbstverständlich betrachten werde. Er war beeindruckt davon, wie Stone und Rosenberg „coole Experimente“ nutzten, um jeden Prozess zu erklären.

Das Ziel der Vorlesungen sei es, Kindern ein grundlegendes Verständnis wissenschaftlicher Prinzipien zu vermitteln und sie zu ermutigen, neugierig zu bleiben, sagte Stone. Er ließ sich von dem Buch „Soap Bubbles“ inspirieren, das 1890 veröffentlicht wurde und noch heute gedruckt wird. Es basiert auf einer Sammlung öffentlicher Vorträge über die Eigenschaften von Seifenfilmen, die der britische Physiker Charles Vernon Boys im späten 19. Jahrhundert vor Familien in London hielt.

„Ich hoffe, diese Kinder erkennen, dass es immer mehr Dinge zu lernen gibt“, sagte Stone. „Stellen Sie immer wieder Fragen, denken Sie gründlich nach und machen Sie Ihre eigenen Beobachtungen. Es gibt so viele faszinierende Dinge auf der Welt.“

Die neunjährige Grace Liu beobachtet aufmerksam, wie Stone ein Video von einem Wasserläufer abspielt, der sich über die Wasseroberfläche bewegt. (Foto von Eliza Grinnell/SEAS Communications.)

Die Ferienvorlesung, die gemeinsam von SEAS und der Princeton University School of Engineering and Applied Sciences präsentiert wurde, wurde vom Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) in Harvard, dem Princeton Center for Complex Materials, dem Princeton University MRSEC und dem Princeton gesponsert Institut für Materialwissenschaft und Technologie.

Treten Sie der Harvard SEAS-Mailingliste bei.

Adam Zewe | 617-496-5878 | [email protected]