Gefrierende Seifenblasen

Blacksburg (USA) - Das Gefrieren von Wassertropfen etwa zu kleinen Hagelkörnern wurde bereits in zahlreichen Studien untersucht. Dagegen ist über das Gefrieren von Seifenblasen nur wenig bekannt. Diese Wissenslücke stopften nun amerikanische Forscher mit einer systematischen Analyse der physikalischen Vorgänge, die binnen Sekunden zu einer hauchdünnen Eishülle führten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, zeigten zahlreiche kleine Kristallflocken beim Gefrieren eine verblüffende Dynamik.

Jonathan Boreyko und seine Kollegen von der Virginia Tech in Blackburg entwickelten für ihre Experimente einen speziellen Versuchsaufbau. Mit diesem konnten sie die herrschenden Temperaturen exakt kontrollieren und das Gefrieren einer Seifenblase mit einer Hochgeschwindigkeitskamera filmen. Als wässrige Lösung für die Seifenblasen mischten sie in destilliertes Wasser ein Fünftel Glycerin und etwa ein Prozent handelsübliches Geschirrspülmittel. Ähnliche Rezepte nutzen auch Straßenkünstler, um ihr Publikum mit möglichst großen und langlebigen Seifenblasen zu begeistern.

Die erste Versuchsreihe führten Boreyko und Kollegen in einem Kühlraum bei minus 20 Grad Celsius durch. Auf eine ebenfalls tiefgekühlte Oberfläche setzten sie Seifenblasen mit fünf bis zehn Millimeter Durchmesser. Schlagartig bildeten sich am unteren Rand der Blase erste Eiskristallflocken. Diese verharrten jedoch nicht an ihrer Stelle, sondern drifteten auf der Blasenoberfläche rasch weiter nach oben. Als Antrieb machten die Forscher den so genannten Maragoni-Effekt verantwortlich. Dabei strömte die noch flüssige Seifenlauge in der Blasenhülle nach oben und riss die Kristallflocken mit sich. Diese Strömung entstand, um die unterschiedlichem Oberflächenspannungen in der Hülle, die im unteren Bereich der Blase geringer war als im oberen, auszugleichen. In den folgenden Sekunden wuchsen rundum auf der gesamten Seifenblase die Kristallflocken und bildeten nach etwa 17 Sekunden eine geschlossene Eishülle.

Zum Vergleich wiederholten die Wissenschaftler diesen Versuch auch außerhalb der Kühlkammer bei Raumtemperatur. Die Plattform für die Seifenblase war weiterhin tiefgekühlt. Unter diesen Bedingungen bildete sich eine geschlossene Eishülle nur in der unteren Blasenhälfte. Für ein weiteres Eiswachstum war der Abstand zur kühlenden Plattform allerdings zu groß und der Wärmeaustausch innerhalb der Hülle zu gering. So kollabierte die teilgefrorene Blase schon nach kurzer Zeit.