Фізики зі США експериментально досліджували замерзання мильних бульбашок, виділили два основні сценарії замерзання і пояснили їх теоретично. Зокрема, вчені встановили, що так званий «ефект снігової кулі», при якому кристаліки льоду кружляють по поверхні міхура, виникає за рахунок теплового ефекту Марангоні. Стаття опублікована в.
Коли температура за вікном впаде нижче - 15 градусів, вийдіть на вулицю і спробуйте видути мильну бульбашку. Як тільки бульбашка торкнеться холодної поверхні (наприклад, снігу), по ній побіжать химерні візерунки, що нагадують візерунки морозу на віконному склі, а сама бульбашка протягом декількох секунд повністю замерзне. Якщо повітря всередині крижаної сфери буде гаряче навколишнього середовища, воно постарається вирватися назовні і зруйнувати сферу, тому міхур рекомендується видувати не ротом, а швидким рухом кільця. Якщо ж температура опуститься ще на десять градусів, чекати, поки бульбашка торкнеться поверхні, не доведеться - вона буде замерзати і руйнуватися ще в повітрі.
Вперше цей ефект, який іноді називають «ефектом снігової кулі» (snow-globe effect), досліджував у 1949 році Вінсент Шефер (Vincent Schaefer), який запускав мильні бульбашки на вершині гори Вашингтон. Втім, тоді фізик обмежився описом форми кристалів, які намерзають на бульбашці, і не намагався пояснити процеси теоретично. Більш того, вчені досі погано розуміють, які ефекти керують цим процесом. Це пов'язано з незвичайною формою міхура: на відміну від інших замерзаючих об'єктів, бульбашка може проводити тепло тільки вздовж своєї поверхні. Тому знання, напрацьовані в експериментах із замерзаючими краплями або плівками, не можуть пояснити замерзання міхура.
Тому група вчених під керівництвом Джонатана Борейка (Jonathan Boreyko) досліджувала замерзання мильних бульбашок в експерименті, а потім розробила якісну модель цього процесу. Як рідину для мильних бульбашок вчені використовували водно-гліцериново-мильний розчин (у пропорціях 79:20:1), що замерзає при температурі - 6,5 градусів Цельсія. Всього вчені поставили два набори експериментів, які відрізнялися навколишніми умовами. У першому наборі дослідів температура поверхні, на якій розташовувався міхур, збігалася з температурою повітря і перебувала на рівні 20 градусів Цельсія, тобто значно нижче температури замерзання розчину. В експериментах другого типу температура підкладки підтримувалася на такому ж низькому рівні, проте навколишнє повітря прогрівалося до кімнатної температури (25 градусів Цельсія). Для охолодження підкладки вчені використовували елемент Пельтьє, посипаний снігом, а процес замерзання міхура записували на високошвидкісну камеру.
При замерзанні за першим сценарієм (холодне повітря, холодна підкладка) вчені виділили наступні етапи. Як тільки бульбашка стосувалася холодної поверхні, в місці контакту намерзали невеликі кристаліки льоду. Щоб перевірити, що кристали намерзають саме на кордоні, вчені замінювали підкладку сухою кремнієвою пластиною, на якій кристали рости не могли. Потім по стінці бульбашки розбігалися потоки рідини, які піднімали і кружляли кристалики льоду. На цьому етапі бульбашка нагадувала снігову кулю, яку попередньо струснули. Протягом декількох секунд потоки поступово вщухали, поки не припинялися повністю. Після цього вмерзлі кристали льоду продовжували рости, поки вся поверхня міхура не замерзала повністю. У сумі процес замерзання тривав не довше хвилини.
Як показав аналіз вчених, в основному потоки виникають за рахунок теплового ефекту Марангоні, тобто рідина переміщається за рахунок тепла, яке вивільняється при замерзанні розчину біля підкладки. Решта потоків, які могли б виникнути за рахунок перепаду концентрацій розчину, зміни кривизни поверхні або спливання нагрітої рідини, можна знехтувати. Крім того, вчені відзначають, що зростання окремих кристалів льоду, рознесених по поверхні бульбашки, зводиться до широко відомої задачі Стефана, яка описує замерзання переохолодженої рідини.
При замерзанні за другим сценарієм (тепле повітря, холодна підкладка) стінка міхура вела себе зовсім по-іншому. Спочатку в ній виникали такі ж потоки рідини, як і в першому сценарії, проте через високу температуру навколишнього повітря вони швидко загасали, а підняті кристаліки льоду плавилися. Приблизно через п'ять секунд у рідині встановлювалася рівновага. До цього моменту нижня частина міхура встигала частково замерзнути. Ще дві хвилини потому в не замерзлій частині бульбашки знову запускалися потоки рідини, які вчені приписують граничній регенерації (marginal regeneration), тобто потонченню рідкої плівки під дією сили тяжкості. Нарешті, ще через кілька хвилин плівка раптово здувалася і схлопувалася. Цей ефект вчені пояснюють охолодженням і падінням тиску газу всередині міхура (закон Шарля).
Нарешті, на основі отриманих даних вчені побудували «фазову діаграму» мильних бульбашок, по осях якої відкладена температура підкладки і повітря. На цій діаграмі можна виділити чотири області, розділені безперервними кордонами. По-перше, очевидно, що при температурі підкладки вище - 6,5 градусів Цельсія бульбашки не замерзають. По-друге, при температурі повітря вище - 6,5 градусів Цельсія бульбашки частково замерзають, а потім схлопуються (другий сценарій). Нарешті, решта області розділяється похилою лінією на області з «ефектом снігової кулі» (перший сценарій) і області, в яких міхур встигає повністю замерзнути.
Хоча люди видувають мильні бульбашки щонайменше кілька сотень років, до останнього часу цей процес був досліджений погано. Перші статті, присвячені видуванню мильних бульбашок, з'явилися тільки в 2016 році, коли французькі вчені проаналізували велику кількість експериментальних даних і розробили першу модель цього процесу. У 2018 році американські вчені просунулися в дослідженнях ще далі, описавши два способи видування міхура: швидке нерівноважне роздмухування і повільний квазікласичний процес, в ході якого плівка поступово втрачає стабільність. Крім того, з мильними бульбашками пов'язана знаменита задача про мінімальну поверхню, яку математики також вирішили зовсім недавно. Більш детально про це завдання можна прочитати в матеріалі «Мильна опера».