Увлекательная наука о пузырях, от мыла до шампанского

В этом занимательном выступлении учёный Ли Вэй Тан наглядно раскрывает нам секреты пузырей — от их неустанного стремления к геометрическому совершенству до возможности их применения в медицине и судоходстве, где конструкторы создают более производительные суда, имитируя пузырьки, подобные тем, что появляются у плывущих пингвинов. Узнайте больше об этих чудесах математики и погрузитесь в магию, скрытую в повседневном мире.

Несколько лет назад я была в Париже.

Прогуливаясь вдоль Сены
в один прекрасный летний день,

я увидела огромные пузыри,
плывущие по берегу реки.

Вот как этот.

Через мгновение он лопнул и исчез.

Эти пузыри пускали два уличных артиста,
окружённые толпой зрителей.

Похоже, они зарабатывали
на жизнь сбором пожертвований

и продажей палочек,
связанных попарно двумя верёвочками.

Я увидела, как мужчина
покупает пару палочек за 10 евро,

и очень удивилась.

Я учёный, и я влюблена в пузыри.

И я знаю, что секрет гигантских
мыльных пузырей

заключается в правильной мыльной смеси,

а не в палочках.

Возможно, они тоже нужны,

но их легко сделать дома своими руками.

Сосредотачиваясь на палочках,
мы отвлекаемся от самого пузыря.

Пузыри могут казаться нам детской забавой,

но иногда это тебя просто захватывает.

На самом деле пузыри — это целая наука,

инструмент, помогающий нам
в решении проблем.

Я хочу поделиться с вами

парой историй о науке создания пузырей,

а также о науке о ликвидации
микроскопических пузырьков.

Начнём с мыльных пузырей,
раз уж они у нас на экране.

Они состоят из знакомых всем веществ:

воздуха, воды и мыла, смешанных
в определённой пропорции.

Мыльные пузыри постоянно меняют цвет.

Это происходит в результате взаимодействия
со светом в разных направлениях

и изменения толщины их стенок.

Знакомые всем молекулы воды

состоят из двух атомов водорода
и одного атома кислорода — H2O.

На большинстве поверхностей
капли воды загибаются внутрь,

принимая форму полусферы.

Происходит так потому, что поверхность
капли похожа на гибкий лист.

Молекулы воды на поверхности
постоянно притягиваются внутрь

центральными молекулами.

Эта гибкость называется
поверхностным натяжением.

Если добавить мыло,

его молекула уменьшит
поверхностное натяжение воды,

сделает его эластичнее
и позволит сформировать пузыри.

Для нас пузыри могут быть помощниками
в решении математических задач.

Вы видите, как они упорно стремятся
к геометрическому совершенству.

Например, шар — форма
с наименьшей площадью поверхности

при заданном объёме.

Поэтому пузырь всегда
принимает форму шара.

Сейчас я покажу. Смотрите.

Вот один пузырь.

Когда соприкасаются два пузыря,

они могут сэкономить материал,
имея общую стенку.

Когда добавляется больше пузырей,

их геометрия меняется.

Здесь соединены четыре пузыря.

Они соединяются в центральной точке.

Если соединить шесть пузырей,

в центре чудесным образом появится куб.

(Аплодисменты)

Так работает поверхностное натяжение,

стремясь обрести самые выигрышные
геометрические формы.

Сейчас я приведу ещё один пример.

Это очень простой предмет.

Сделан из двух слоёв пластика

и четырёх кнопок,
соединённых друг с другом.

Представьте, что эти кнопки —
четыре равноудалённых города,

и мы хотим соединить их дорогами.

Вопрос: как найти кратчайший способ
соединить эти четыре города?

Давайте на него ответим,
окунув этот предмет в мыльную воду.

Вспомните, что формы мыльного пузыря
всегда будут иметь тенденцию

минимизировать свою площадь

и образовывать идеальную
геометрическую структуру.

Решение может оказаться неожиданным.

Длина кратчайшего пути
между этими четырьмя городами

в 2,73 раза меньше расстояния
между вот этими двумя городами.

(Аплодисменты)

Теперь вы поняли.

Форма мыльного пузыря всегда стремится
уменьшить площадь своей поверхности

с помощью идеальной
геометрической структуры.

Теперь посмотрим
на пузыри под иным углом зрения.

Моя дочка Зои обожает зоопарки.

Бухта пингвинов — её любимое место
в зоопарке Marwell Zoo в южной Англии.

Там она могла наблюдать,как пингвины
плавают под водой на большой скорости.

Однажды она заметила,
что когда пингвин плывёт,

от его тела идёт шлейф пузырьков,

и спросила, почему так происходит.

Животные и птицы,
которые, подобно пингвинам,

проводят много времени под водой,

в ходе эволюции научились использовать
способность пузырьков

уменьшать плотность воды.

Как полагают, императорские пингвины
способны нырять на несколько сотен метров

в глубину моря.

Считается, что у них под перьями воздух,

и ныряя,

они постепенно выпускают его
в виде облака пузырьков.

Это уменьшает плотность воды вокруг них,

облегчая им движение в воде

и увеличивая скорость
как минимум на 40 процентов.

Это свойство заметили
производители кораблей.

Я говорю о больших кораблях,

которые перевозят тысячи
контейнеров через океан.

Недавно они разработали систему
под названием «система воздушной смазки»,

вдохновившись примером пингвинов.

В этой системе производится
множество пузырьков,

которые перераспределяются
окутывая весь корабль,

как воздушный ковёр,
и уменьшают сопротивление воды,

когда корабль движется.

Эта способность позволяет
урезать потребление энергии

на 15 процентов.

Пузыри можно использовать и в медицине.

Они могут сыграть важную роль,

например, в качестве метода
неинвазивной доставки лекарств и генов

в определённую часть тела.

Представьте, что микропузырёк,

наполненный смесью
из лекарства и магнитных частиц,

вводится в наш кровоток.

Пузырьки будут двигаться к цели.

Но откуда они знают, куда идти?

Мы поставим туда магнит.

Например, в эту часть моей руки.

Когда микропузырьки доберутся в эту часть,

мы заставим их лопнуть
с помощью ультразвука,

и лекарство попадёт
именно туда, куда нужно.

Я рассказала о науке создания пузырей.

Но иногда нам нужно от них избавиться.

Вообще-то, это и есть часть моей работы.

Моя профессия называется
«учёный-технолог печатных красок».

Но я работаю не с теми чернилами,
которые используют в ручках.

Я работаю над потрясающими
разработками по применению,

например, органической фотовольтаики, OPV,

и органических светодиодов, OLED.

Мы занимаемся также и тем,
что пытаемся понять, как и почему мы хотим

убрать пузырьки из чернил,
выпускаемых нашей компанией.

В процессе составления сложной рецептуры

или в процессе приготовления вещества

мы соединяем активные компоненты,
растворители и добавки,

чтобы придать смеси нужные свойства

для использования чернил.

Но, как и в процессе смешивания коктейлей

или выпекания торта,

попадание пузырьков воздуха
в эти чернила неизбежно.

Мы сейчас говорим не о пузырях,

подобных тем, которые я видела в Париже.

Пузыри, которые попадают в чернила,

имеют размер от нескольких миллиметров

до нескольких микронов

или даже нанометров.

Нас беспокоит то,

что кислород и влага
оказываются запертыми изнутри.

И при таких размерах убрать их нелегко.

Но это нужно сделать.

Например, чернила
в органических светодиодах,

которые используются в экранах смартфонов.

Они должны работать долгие годы,

но если в чернила
попадёт кислород и влага

и если их не убрать,

то скоро на экране появятся тёмные точки.

Одна из проблем, которые возникают
при удалении микропузырьков, —

они не очень-то идут
вам при этом навстречу.

Им нравится сидеть

без движения и купаться в чернилах.

Но как нам их выгнать оттуда?

С помощью используемой нами технологии

можно пропустить чернила
через тонкую, длинную трубочку

с пористыми стенками.

Трубки помещают в вакуум,

и пузыри выдавливаются из чернил

и их убирают.

Как только нам удаётся
удалить пузырьки из наших чернил,

настаёт время праздника.

Давайте откроем бутылку
пенистого шампанского.

Это будет весело!

(Смех)

Урааа!

(Аплодисменты)

Вы видели, как пузырьки вырвались
из бутылки с шампанским.

Это пузыри заполнены углекислым газом,

который был произведён
во время процесса брожения вина.

Позвольте мне налить немного.

Не могу упустить шанс.

Думаю, этого достаточно.

(Смех)

Здесь множество микропузырьков,

они поднимаются со дна бокала наверх.

Перед тем как лопнуть,

они превратятся в крошечные
капельки ароматических молекул

и усилят вкус и аромат шампанского,

чтобы мы смогли насладиться им ещё больше.

Как учёный и поклонница пузырей,

я люблю смотреть на них,

играть с ними,

изучать их.

А ещё я люблю их пить.

Спасибо.

(Аплодисменты)