Las películas de jabón son capas delgadas de líquido (generalmente a base de agua) rodeadas de aire. Por ejemplo, si dos burbujas de jabón entran en contacto, se fusionan y se crea una película delgada entre ellas. Por lo tanto, las espumas están compuestas por una red de películas conectadas por bordes de meseta . Las películas de jabón se pueden utilizar como sistemas modelo para superficies mínimas, que se utilizan ampliamente en matemáticas.
La experiencia diaria [ cita requerida ] demuestra que la formación de burbujas de jabón no es factible con agua ni con ningún líquido puro. En realidad, la presencia de jabón, que está compuesto a escala molecular de surfactantes , es necesaria para estabilizar la película. La mayoría de las veces, los surfactantes son anfifílicos , lo que significa que son moléculas con una parte hidrofóbica y otra hidrofílica . Por lo tanto, se disponen preferentemente en la interfaz aire/agua (ver figura 1).
Los surfactantes estabilizan las películas porque crean una repulsión entre ambas superficies de la película, evitando que se adelgace y, en consecuencia, reviente. Esto se puede demostrar cuantitativamente mediante cálculos relacionados con la presión de desunión . Los principales mecanismos de repulsión son estéricos (los surfactantes no pueden entrelazarse) y electrostáticos (si los surfactantes están cargados).
Además, los surfactantes hacen que la película sea más estable frente a las fluctuaciones de espesor debido al efecto Marangoni . Esto le da cierta elasticidad a la interfaz: si las concentraciones superficiales no están dispersas de manera homogénea en la superficie, las fuerzas de Marangoni tenderán a homogeneizar nuevamente la concentración superficial (ver figura 2).
Incluso en presencia de tensioactivos estabilizadores, la película de jabón no dura para siempre. El agua se evapora con el tiempo en función de la humedad del ambiente. Además, en cuanto una película no está perfectamente horizontal, el líquido fluye hacia el fondo debido a la gravedad y se acumula en la parte inferior. En la parte superior, la película se adelgaza y estalla.
Desde un punto de vista matemático, las películas de jabón son superficies mínimas . La tensión superficial es la energía que se requiere para producir la superficie, por unidad de área. Una película, como cualquier cuerpo o estructura, prefiere existir en un estado de energía potencial mínima . Para minimizar su energía, una gota de líquido en el espacio libre asume naturalmente una forma esférica, que tiene el área de superficie mínima para un volumen dado. Los charcos y las películas pueden existir en presencia de otras fuerzas, como la gravedad y la atracción intermolecular hacia los átomos de un sustrato. Este último fenómeno se llama humectación : las fuerzas de unión entre los átomos del sustrato y los átomos de la película pueden hacer que la energía total disminuya. En ese caso, la configuración de energía más baja para el cuerpo sería aquella en la que tantos átomos de la película como sea posible estén lo más cerca posible del sustrato. Eso daría como resultado una película infinitamente delgada, infinitamente extendida sobre el sustrato. En realidad, el efecto de la humectación adherente (que causa la maximización de la superficie) y el efecto de la tensión superficial (que causa la minimización de la superficie) se equilibrarían entre sí: la configuración estable puede ser una gota, un charco o una película delgada, dependiendo de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. [1]
Los colores iridiscentes de una película de jabón se deben a la interferencia de las ondas de luz reflejadas (interna y externamente), un proceso denominado interferencia de película fina , y están determinados por el espesor de la película. Este fenómeno no es el mismo que el origen de los colores del arco iris (causado por la refracción de la luz reflejada internamente), sino que es el mismo que el fenómeno que causa los colores de una mancha de aceite en una carretera mojada.
Si se eligen bien los surfactantes [2] y se controlan adecuadamente la humedad atmosférica y los movimientos del aire, una película de jabón horizontal puede durar desde minutos hasta horas. Por el contrario, una película de jabón vertical se ve afectada por la gravedad y, por lo tanto, el líquido tiende a escurrirse, lo que hace que la película de jabón se adelgace en la parte superior. El color depende del espesor de la película, lo que explica las franjas de interferencia coloreadas que se pueden ver en la parte superior de la figura 4.
Durante las últimas etapas del drenaje, comienzan a formarse manchas negras de bordes afilados. Estas manchas son significativamente más delgadas (<100 nm) que la película de jabón normal, lo que da lugar a su color negro de interferencia. La formación de manchas negras depende de la concentración del jabón y, además, existen dos tipos de películas negras: [3]
A medida que continúa el drenaje, las manchas negras eventualmente ocupan toda la película de jabón y, a pesar de su extrema delgadez, la película negra final puede ser bastante estable y sobrevivir durante muchos minutos.
Si una película de jabón es inestable, termina por estallar. Se crea un agujero en algún lugar de la película y se abre muy rápidamente. La tensión superficial conduce de hecho a la minimización de la superficie y, por lo tanto, a la desaparición de la película. La apertura del agujero no es instantánea y se ralentiza por la inercia del líquido. El equilibrio entre las fuerzas de inercia y tensión superficial conduce a la velocidad de apertura: [4] donde es la tensión superficial del líquido, es la densidad del líquido y es el espesor de la película.
