ขึ้นชื่อว่าเป็นฟองอากาศ (Bubble) ตั้งแต่เรายังเล่นเป่าฟองสบู่เมื่อตอนเป็นเด็ก เราทราบกันดีว่าฟองสบู่นั้นอยู่ได้เพียงชั่วคราวก่อนหายไปในพริบตา แต่นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้เผยแพร่งานวิจัยชิ้นใหม่ที่ทำให้ฟองอากาศ (หรือฟองสบู่) ไม่ใช่แค่เป็นเรื่องชั่วคราวอีกต่อไป เพราะพวกเขาเพิ่งทุบสถิติในการสร้างฟองอากาศและรักษาสภาพเอาไว้ได้ยาวนานโดยไม่แตกตัวได้ยาวนานถึง 465 วัน หรือมากกว่า 1 ปีแล้ว
‘อายเมริก รูส์’ (Aymeric Roux), อะเล็กซิส ดูเชน (Alexis Duchesne) และ ‘มิเกล บอว์โดออง’ (Michael Baudoin) ทีมผู้วิจัยผู้เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเลียล (Université de Lille) ประเทศฝรั่งเศส ได้เผยแพร่ผลงานการวิจัยในเว็บไซต์วารสาร ‘Physical Review Fluids’ เมื่อวันอังคารที่ 18 มกราคมที่ผ่านมา โดยพวกเขาได้รายงานเกี่ยวกับความสำเร็จในการคิดค้นและพัฒนาส่วนผสมในเชิงวัสดุ คุณสมบัติทางกายภาพ และคุณสมบัติทางเคมีของฟองอากาศ ให้สามารถคงอยู่ได้นานถึง 378 วัน ในช่วงที่ทีมวิจัยกำลังลงมือเขียนบทความการวิจัยชิ้นนี้ และคงอยู่ได้นานถึง 465 วัน (ประมาณ 1 ปี 3 เดือน) ในช่วงเวลาปัจจุบัน
โดยปกติแล้ว ฟองอากาศ หรือฟองสบู่ เกิดขึ้นจากโครงสร้างพื้นผิวที่ประกอบไปด้วยชั้นฟิล์มบาง ๆ 2 ชั้น และมีชั้นของเหลวอยู่ระหว่างพื้นผิวชั้นฟิล์ม แรงตึงผิว (Surface Tension) จะดึงโมเลกุลที่ผิวหน้าของของเหลวเข้าหากันจนหดตัวเพื่อทำให้ฟองอากาศมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด จนทำให้อากาศภายในฟองอากาศมีแรงดัน และทำให้ชั้นฟิล์มไม่สามารถหดตัวต่อไปได้อีก ซึ่งจะทำให้ฟองอากาศนั้นมีทรงกลม จนเมื่อฟองอากาศลอยไปสัมผัสกับพื้นผิวอื่น ๆ หรือเมื่อโมเลกุลของของเหลวที่อยู่ระหว่างชั้นผิวระเหยออกไปจนหมด จะทำให้ฟองอากาศแตกออกภายในไม่กี่วินาที
ด้วยเหตุนี้ ทีมนักวิจัยจึงได้ทำการศึกษาวิจัยในด้านต่าง ๆ ทั้งในเชิงคุณสมบัติทางวัสดุ คุณสมบัติทางกายภาพ และคุณสมบัติทางเคมี จนสามารถพัฒนาสิ่งที่เรียกว่า ‘ลูกแก้วอากาศ’ (Gas Marbles) ซึ่งจริง ๆ แล้วลูกแก้วอากาศนี้ถูกค้นพบมาตั้งแต่ปี 2015 ซึ่งเกิดจากการสร้างชั้นฟิล์มของสารละลายพลาสติกโพลีสไตรีน (Polystyrene) คุณสมบัติทางโมเลกุลของโพลีสไตรีนจะเชื่อมกับของเหลวด้วยแรงตึงผิวเสมือนเป็นกาว ทำให้พื้นผิวของฟองสบู่นั้นมีโครงสร้างยืดหยุ่นมากพอที่จะใช้มือสะอาดจับอย่างเบามือ หรือกลิ้งไปมาบนพื้นผิวได้ เสมือนกับเป็นลูกแก้วที่ภายในที่ห่อหุ้มความดันอากาศ (Gas) อยู่
และด้วยหลักการใช้โมเลกุลของสารโพลิเมอร์ (พลาสติก) ในการสร้างพื้นผิวของฟองอากาศนี้เอง ทีมนักวิจัยจึงได้สร้างลูกแก้วอากาศขึ้นจากโมเลกุลของพลาสติกไนลอน (Nylon) สารกลีเซอรอล (Glycerol หรือกลีเซอรีน (Glycerine)) และน้ำ เพื่อทดลองการสร้างฟองอากาศที่มีความเสถียรมากกว่าเดิม ซึ่งการเคลือบฟองสบู่ด้วยโมเลกุลของไนลอน (Nylon) จะช่วยป้องกันไม่ให้ชั้นฟิล์มที่เป็นพื้นผิวของฟองสบู่ไหลย้อยตามแรงโน้มถ่วง และการเพิ่มกลีเซอรอล จะช่วยชะลอการระเหยของน้ำด้วยการดูดซับโมเลกุลของน้ำที่อยู่ในอากาศเข้ามาในตัวมันเอง ทั้งสองปรากฏการณ์นี้ช่วยเสริมความแข็งแรงให้แก่พื้นผิว ทำให้ฟองสบู่สามารถคงตัวอยู่ได้โดยไม่แตก แม้ว่ารูปร่างที่ได้อาจดูไม่สวยงามหรือเป็นสีรุ้งเหมือนกับฟองน้ำปกติที่เราเคยเห็นกัน
และ (c) มุมมองของลูกแก้วอากาศกลีเซอรอลอายุ 1 เดือนที่ถูกเจาะด้วยเข็ม
ในการทดลอง ทีมวิจัยได้ทดลองศึกษาเปรียบเทียบฟองสบู่ 3 แบบ ได้แก่ ฟองสบู่ปกติ ลูกแก้วอากาศที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ และลูกแก้วอากาศที่มีสารกลีเซอรอล โดยใช้เครื่องชั่งน้ำหนักและกล้อง การทดลองก็เป็นไปตามที่คาด ฟองสบู่ปกตินั้นแตกตัวหลังจากอยู่ได้ประมาณหนึ่งนาที ส่วนลูกแก้วอากาศที่ใช้น้ำ อยู่ได้นานก่อนจะแตกตัวออกโดยใช้เวลาเฉลี่ย 6 – 60 นาที ส่วนลูกแก้วอากาศที่มีส่วนผสมของกลีเซอรอลสามารถคงตัวอยู่ได้นานมาก ในการวิจัยพบว่าฟองสบู่โดยเฉลี่ยอยู่ได้นานถึง 101 วัน ส่วนฟองสบู่ที่อยู่ได้นานที่สุดนั้นอยู่ได้นานถึง 465 วัน หรืออยู่ต่อมาได้อีก 97 วันหลังจากเผยแพร่งานวิจัย โดยที่นักวิจัยยังไม่พบการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของพื้นผิวบนฟองสบู่ (ที่จะทำให้ฟองสบู่ฟองนี้แตก) อย่างมีนัยสำคัญ
ในภาพ (d) ชั้นฟิล์มที่มีส่วนผสมของน้ำและกลีเซอรอลสามารถคงตัวได้นานถึง 6 เดือน
ซึ่งถ้าสงสัยว่าเราจะทำให้ฟองสบู่อยู่ได้นานข้ามปีขนาดนี้ไปทำไม การทดลองนี้เป็นประโยชน์อย่างมากมายในแง่ของการนำไปต่อยอดพัฒนาในด้านต่าง ๆ เช่นพลศาสตร์ วัสดุศาสตร์ และเคมี เพื่อช่วยในการคิดค้นและพัฒนาผลิตภัณฑ์ในหลากหลายรูปแบบและหลากหลายจุดประสงค์ เช่น การช่วยป้องกันของเหลวในผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เช่น โฟม สเปรย์ และยาแบบพ่นละออง (Aerosol) ให้มีความคงตัวและระเหยช้าลง รวมถึงการพัฒนาชั้นฟิล์มบางเฉียบที่สามารถคงตัวได้ยาวนาน หรือพัฒนาฟองอากาศที่สามารถกักเก็บก๊าซที่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมที่ได้ด้วย
พิสูจน์อักษร : สุชยา เกษจำรัส