Wie Seifenblasen gefrieren

Jan Oliver Löfken

Kristalle auf einer Seifenblase in Nahaufnahme vor schwarzem Hintergrund

Farzad Ahmadi/Christian Kingett

In zahlreichen Experimenten wurde bereits das Gefrieren von Wassertropfen etwa zu kleinen Hagelkörnern untersucht. Dagegen war bislang nur wenig darüber bekannt, wie eigentlich Seifenblasen gefrieren. Doch mit neuen Analysen kamen Wissenschaftler nun den zugrunde liegenden physikalischen Vorgängen auf die Spur. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichten, entstanden kleine Kristallflocken beim Gefrieren, die eine verblüffende Dynamik auf der Blasenhülle zeigten und binnen Sekunden zu einer hauchdünnen Eishülle führten.

Für ihre Experimente entwickelten Farzad Ahmadi von der Virginia Tech in Blackburg und seine Kollegen einen speziellen Versuchsaufbau, mit dem sie sowohl die Temperatur der Umgebung als auch die der Seifenblase exakt kontrollieren konnten. Die Seifenblasen erzeugten die Forscher mit einer Lösung auf Basis von destilliertem Wasser, die zu einem Fünftel aus Glycerin und etwa einem Prozent aus Geschirrspülmittel bestand. Die erste Versuchsreihe führten Ahmadi und seine Kollegen in einem Kühlraum bei minus 20 Grad Celsius durch. Auf eine ebenfalls tiefgekühlte Oberfläche setzten sie die Seifenblasen mit einem Durchmesser von fünf bis zehn Millimetern.

Drei Bilder von Seifenblasen, die einen zeitlichen Verlauf wiedergeben: Auf dem ersten sieht man eine Seifenblase, die an einigen Punkten beginnt zu gefrieren; auf dem zweiten sind bereits deutlich einzelne Kristalle zu erkennen; auf dem dritten ist die Seifenblase komplett von Kristallen übersät und erscheint milchig

Gefrierende Seifenblasen

Sofort bildeten sich am unteren Rand der Blase erste Eiskristalle, die jedoch nicht dort verharrten, sondern auf der Blasenoberfläche weiter nach oben drifteten. Als Antrieb machten die Forscher den sogenannten Marangoni-Effekt aus: Aufgrund von unterschiedlichen Oberflächenspannungen in der Blasenhülle entstand eine Flüssigkeitsströmung vom unteren Bereich der Blase – mit niedrigerer Oberflächenspannung – hin zum oberen Bereich mit höherer Oberflächenspannung. Die noch flüssige Seifenlauge strömte dadurch nach oben und zog die Eiskristalle mit sich.

In den darauf folgenden Sekunden vergrößerten sich die Eiskristalle auf der gesamten Seifenblase und bildeten nach etwa 17 Sekunden eine geschlossene Eishülle. Zum Vergleich wiederholten die Wissenschaftler diesen Versuch auch bei Raumtemperatur außerhalb der Kühlkammer. Die Seifenblase begann durch den weiterhin tiefgekühlten Untergrund zu gefrieren. Doch unter diesen Bedingungen bildete sich eine geschlossene Eishülle nur in der unteren Blasenhälfte. Für ein weiteres Eiswachstum war der Abstand zur kühlenden Plattform zu groß und die Blase kollabierte bereits nach kurzer Zeit.


Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2019/wie-seifenblasen-gefrieren/