Het einde van de omgekeerde zeepbel

Een antizeepbel is een luchtschilletje om een vloeistofbol, en dit weer in vloeistof. Zeventig jaar na de eerste rapportage is het Belgische fysici gelukt ze te fotograferen. Ook in bier.

MET ZEEPBELLEN kan iedereen overweg. Bakje verdund afwasmiddel, ringetje erin, zachtjes blazen en het regent bellen. De grootte van een bel hangt direct samen met het drukverschil aan weerskanten van het zeepvlies en de oppervlaktespanning, de mate waarin het vloeistofoppervlak zich verzet tegen doorboring.

Behalve zeepbellen zijn er ook antizeepbellen. Over hun bestaan is in 1932 voor het eerst gerapporteerd in Nature. Het gaat hier om een luchtschilletje om een vloeistofbol, en dat geheel weer in een vloeistof. In tegenstelling tot zeepbellen zijn antizeepbellen nauwelijks bestudeerd. Stéphane Dorbolo en twee collega-fysici, verbonden aan de universiteit van Luik, vullen dit gat op met gebruikmaking van high speed fotografie. Hun bevindingen staan in het jongste nummer van New Journal of Phycis (december 2003).

Antizeepbellen maak je als volgt. Vul een glazen vaas of bak tot de rand met afwaswater, en een beker met identiek afwaswater waaraan eventueel zout is toegevoegd om de dichtheid te verhogen. Giet bekerafwaswater op de vaasvloeistof en kijk onder het oppervlak. Bij de juiste schenksnelheid vormen zich in de stroom afwaswater die door het vloeistofoppervlak van de vaas heen dringt antizeepbellen. Dat komt omdat de druppels vallende vloeistof soms een laagje lucht mee de vaas in nemen dat ze vervolgens als een film omsluit. De antizeepbellen zinken naar de bodem en blijven tot twee minuten in leven. Is het afwaswater in vaas en beker identiek, dan `sleurt' de schil van lucht de antizeepbel naar de oppervlakte – een geval van opwaartse kracht en de wet van Archimedes.

In de praktijk gebruikte Dorbolo water met 0,1 procent afwasmiddel. Verder diende een pompje om het vloeistofoppervlak `schoon' te houden en resterende belletjes te verwijderen. Het grensvlak vloeistof-lucht bezit een zekere mate van elasticiteit door de gerichte surfactant-moleculen (het afwasmiddel) die zich daar bevinden, wat de luchtschil überhaupt mogelijk maakt. Een koperdraad tussen vaas en beker verhindert het ontstaan van een elektrisch spanningsverschil (statische elektriciteit) tussen antizeepbel en vloeistofomgeving, hetgeen de stabiliteit van het luchtschilletje, en dus van de antizeepbel, extra ten goede komt. De dikte van de luchtschil is ongeveer 0,003 millimeter. Die waarde volgt uit de grootte van het luchtbelletje dat resteert wanneer de antibel ineenstort, en ook uit de stijgsnelheid van de antibel in de situatie van identieke vaas- en bekervloeistof.

Om het ploppen van een antizeepbel goed te kunnen bestuderen prikte Dorbolo ze met een naald stuk en namen de sterfscène op met een high speed videocamera die 1000 digitale beelden per seconde schoot. De luchtschil trekt zich samen aan de kant waar niet geprikt wordt, begint te golven, scheurt uiteen en binnen 0,05 seconde resteert een kwalachtig schilrestant dat vervolgens in de vorm van een luchtbelletje naar de oppervlakte stijgt. Bij spontaan ploppen is de gang van zaken niet wezenlijk anders. De luchtschil knapt altijd aan de onderzijde: daar is hij het dunst en dus het zwakt. De oorzaak is de opwaartse kracht op de lucht. Om een en ander goed in beeld te krijgen voegden de Belgen aan het bekerwater soms kleurstof toe, zodat de antizeepbellen beter te zien waren.

Wanneer verzwaarde antizeepbellen in een hoge cilinder zinken, blijken ze op anderhalve meter diepte te klappen, onafhankelijk van hun grootte. Oorzaak: de hydrostatische druk perst de luchtlaag van de antibel samen zodat hij op een gegeven moment stuk raakt. Bij dat proces ontstaan in het water wervelingen als gevolg van het `gelanceerde' luchtbelletje.

Antibellen maken in zuiver water of pure alcohol lukt niet, surfactant in de vloeistof is essentieel. Uit nieuwsgierigheid probeerde Dorbolo het ook met Belgisch exportbier en daar ging het wel: eiwit in het bier vervult de rol van surfactant. ``Tot onze verrassing ontstonden in bier gigantische antibellen die wel twee minuten in leven bleven'', aldus de Belg. Britse collega-fysici, ale-drinkers, hebben Luik inmiddels laten weten weinig verbaasd te staan van antibellen in Belgisch bier: dat zou smaken naar afwaswater.