Zeepbel bevriest tot magische sneeuwbol

Natuurkunde Als een zeepbel bevriest op een koude ondergrond in een koude omgeving, dan dansen er ijskristallen over het oppervlak.

IJskristallen dansen over het oppervlak van een bevriezende zeepbel.
IJskristallen dansen over het oppervlak van een bevriezende zeepbel. Foto’s Farzad Ahmadi, Christian Kingett

Zeepbellen op een ijskoud oppervlak bevriezen. Als dit in een koude omgeving gebeurt bevriest de bel op een prachtige manier tot een ijskoepel. Maar als de omringende lucht warm is bevriest de bel slechts gedeeltelijk en zakt hij in. Amerikaanse fysici onderzochten dit verschil met zeepbellen in een vriezer (-19° C) en bij kamertemperatuur (24° C). Ze publiceerden hun resultaten dinsdag in Nature Communications.

Het ziet er magisch uit als zeepbellen bevriezen op een koud oppervlak, in een koude omgeving. Eerst bevriest de onderste rand die het koude oppervlak raakt. Dan ontstaan over de hele bel kleine ijskristallen. Die dansen over het oppervlak totdat de bel steeds verder bevriest en de losse ijskristallen aan elkaar vastgroeien. Het doet denken aan een sneeuwbol.

IJskristallen vormen zich aan het oppervlak van een zeepbel. Ze bewegen door elkaar heen en groeien langzaam aan elkaar vast.

Foto’s Farzad Ahmadi, Christian Kingett

Dankzij het Amerikaanse onderzoek weten we nu hoe en wanneer de dansende kristallen ontstaan. Ze worden veroorzaakt door het Marangoni-effect, dat ook het ‘tranen’ van wijn en andere alcoholische dranken veroorzaakt. Hierbij zorgt een plaatselijke hogere oppervlaktespanning ervoor dat de omringende vloeistof daarheen gezogen wordt. Bij een glas wijn verdampt de alcohol aan de wand van het glas. De waterige vloeistof die overblijft heeft een hogere oppervlaktespanning dan wijn en zuigt wijn uit het glas omhoog. Na een tijdje is er zoveel omhoog gestroomd dat er druppels ontstaan die door de zwaartekracht weer terug het glas in vloeien, als tranen.

Dit was nog nooit eerder onderzocht. Ik vind het mooi om te zien

Daniela Kraft docent aan de Universiteit Leiden

In een zeepbel gebeurt iets vergelijkbaars. Maar hier ontstaat het verschil in oppervlaktespanning door een temperatuurverschil. Als de temperatuur ergens op de zeepbel toeneemt, dan daalt de oppervlaktespanning daar. „Als de zeepbel van onderaf bevriest komt daarbij (latente) warmte vrij”, mailt universitair docent Jonathan Boreyko van Virginia Tech in de Verenigde Staten. Die warmte zorgt voor verschillen in oppervlaktespanning in de zeepbel waardoor er vloeistofstroompjes gaan lopen. Die stroompjes nemen de ijskristallen mee die ontstaan tijdens het bevriezen. Zo verplaatsen de ijskristallen zich over het oppervlak en bevriest de zeepbel snel, vanuit meerdere plekken tegelijkertijd.

De onderzoekers zagen dit effect optreden bij zeepbellen die ze bevroren in een inloopvriezer met een temperatuur van ongeveer -19° C. Maar bij zeepbellen op een koude ondergrond (-10° C tot -40° C) bij kamertemperatuur trad dit verschijnsel niet op. De bel begon wel van onderaf te bevriezen en het ‘vriesfront’ kroop langzaam omhoog. Maar halverwege de bel stopte de bevriezing. De zeepbel blijft een tijdje in deze halfbevroren toestand terwijl er geleidelijk lucht ontsnapt uit poriën in de bovenkant. Uiteindelijk stort de zeepbelkoepel in.

De zeepbelkoepel stort in.

Foto Farzad Ahmadi, Christian Kingett

Bij kamertemperatuur dansen er geen ijskristallen over het oppervlak. „Alleen als de bovenkant van een zeepbel flink koud is, is de oppervlaktespanning bovenin hoog genoeg om een Marangoni-effect te veroorzaken dat sterk genoeg is om de ijskristallen mee omhoog te trekken”, vertelt Boreyko.

„Dit was nog nooit eerder onderzocht”, mailt Daniela Kraft, universitair docent aan de Universiteit Leiden. „Er zijn modelstudies gedaan die een deel van dit gedrag beschrijven. Maar ik vind het mooi om te zien, dat het nu ook in een reëel systeem gevonden is. Nog mooier is dat er blijkbaar voor echte zeepbellen andere mogelijkheden van kristallisatie bestaan onder andere omstandigheden.”

Zelf zeepbellen laten bevriezen? Dat kan, mailt Boreyko. ’s Winters, als het buiten vriest, bevriezen zeepbellen die op de sneeuw liggen. Als het buiten te warm is, is op een stuk ijs in de vriezer ook mogelijk. Dan heb je wel een vriezer met een raampje of een koudebestendige camera nodig om de bevriezing te volgen.