The fascinating science of bubbles, from soap to champagne | Li Wei Tan

المترجم: Saeed Mohammad المدقّق: Ahmed Fatthey

Some years ago, I was visiting Paris

منذ بضع سنوات، كنت في زيارة لباريس

and walking along the Seine River during a beautiful summer afternoon.

وبينما أتنزه على ضفاف نهر السين ظهيرة يوم صيفي جميل،

I saw giant bubbles floating on the riverbank,

فإذ بي أرى فقاقيع ضخمة تطفو على ضفة النهر،

like this one.

كهذه.

The next moment, it popped and was gone.

وفي خلال لحظة كانت قد تفرقعت واختفت.

Making them were two street performers surrounded by a crowd.

كان يصنعها مؤديان بالشارع يحيط بهما جمهور.

They visibly make a living by asking for donations

ومن الواضح أنهما يتكسّبان من طلب التبرعات

and by selling pairs of sticks tied with two strings.

وبيع أزواج من العصي مربوطة بحبلين.

When I was there, a man bought a pair of sticks for 10 euros,

وبينما أنا واقفة هناك، اشترى رجل ما زوجًا من العصي بـ10 يورو،

which surprised me.

مما أدهشني.

I am a scientist who is passionate about bubbles.

فأنا عالمة مولعة بالفقاقيع.

I know the right trick to make the giant bubbles

لذا أعرف أن الخدعة الصحيحة لصنع فقاقيع ضخمة

is the right soapy water mixture itself --

هي خليط الماء والصابون نفسه،

not the sticks,

وليست العصي،

which may be needed,

صحيح أنه قد نحتاجها،

but you can easily make them at home.

لكن يسهل عليك صنعها في البيت.

Focusing on the sticks makes us not see that the real tool is the bubble itself.

التركيز على العصي يمنعنا من إدراك أن الأداة الحقيقية هي الفقاعة نفسها.

Bubbles might seem like something just children make while playing,

قد تبدو الفقاقيع مجرد شيء يصنعه الأطفال وهم يلعبون،

but sometimes it can be really stunning.

لكنها قد تكون مذهلة حقًا أحيانًا.

However, there are more fascinating science to bubbles,

علاوة على أن هناك الكثير من العلم المدهش عن الفقاقيع،

such as problem-solving tools.

مثل استخدامها كأدوات حل للمشاكل.

So I would like to share with you

لذا أود مشاركتكم

a few stories about the science of creating bubbles

بعض القصص حول علم صنع الفقاقيع

and the science of eliminating the microscopic ones.

وعلم إزالة الفقاقيع المجهرية.

Since it's up on the screen, let's start with the soap bubble.

بما أنها معروضة على الشاشة، دعونا نبدأ بفقاعة الصابون.

It is made from very common substances:

تُصنَع من مواد شائعة جدًا:

air, water, soap, in the right mixture.

هواء وماء وصابون ممزوجة بنسب صحيحة.

You can see soap bubbles constantly changing their colors.

يمكنك رؤية فقاقيع الصابون تغير لونها باستمرار.

This is due to the interaction with light at various directions

وهذا وفقًا لتفاعلها مع الضوء في الاتجاهات المختلفة،

and the changes of their thickness.

وكذلك حسب التغيرات في سُمكها.

One of the common substances, water molecules,

أحد المواد الشائعة هي جزيئات الماء.

are formed by two atoms of hydrogen and one atom of oxygen -- H2O.

يتكون الجزيء الواحد من ذرتي هيدروچين وذرة أوكسچين، (H2O).

On most surfaces, water droplets tend to curve inwards,

على أغلب الأسطح، تميل قطرات الماء للتكور ناحية الداخل،

forming a semihemisphere shape.

مكوّنة شكلاً أقرب لنصف كرة.

This is because the water droplet's surface is like an elastic sheet.

وذلك لأن سطح قطرة الماء أشبه بغطاء مرن.

The water molecule on the surface is constantly being pulled inwards

لذا فإن جُزيء الماء على السطح يُسحَب للداخل باستمرار

by the molecule at the center.

من قِبل الجُزيء الذي في المركز.

And the quality of the elasticity is what we call "surface tension."

وخاصية المرونة هذه هي ما نسمّيه التوتر السطحي.

Now by adding soap,

الآن مع إضافة الصابون،

what happens is the soap molecule reduces the surface tension of water,

ما يحدث هو أن جُزيء الصابون يخفف التوتر السطحي للماء،

making it more elastic and easier to form bubbles.

فيجعله أكثر مرونة وأكثر قابلية لتكوين الفقاقيع.

You can think of a bubble as a mathematical problem-solver.

يمكنك أن تفكر في الفقاقيع كَحلّ للمشكلات الرياضية.

You see it relentlessly trying to achieve geometry perfection.

ترى أنها تحاول بلا كلل الوصول للمثالية الهندسية.

For instance, a sphere is the shape with the least surface area

فمثلاً، الكرة هي الشكل الهندسي الذي يحقق أقل مساحة سطح

for a given volume.

لأي حجم مفترض.

That's why a single bubble is always in the shape of a sphere.

لذلك الفقاعة دائمًا على شكل كرة.

Let me show you. Check it out.

دعوني أريكم. انظروا إلى هذا.

This is a single bubble.

هذه فقاعة واحدة.

When two bubbles touch each other,

عندما تتلامس فقاعتان مع بعض،

they can save materials by sharing a common wall.

يمكنهما توفير المواد من خلال تشكيل جدار مشترك.

When more and more bubbles are added together,

عندما تضيف المزيد والمزيد من الفقاقيع إلى بعضها البعض،

their geometry changes.

يتغير شكلهم الهندسي.

These four bubbles are added together.

هذه الفقاقيع الأربعة أضيفت بعضها إلى بعض.

They meet at one point at the center.

وتلتقي عند نقطة واحدة في المركز.

When six bubbles are added together,

عندما تضاف ست فقاقيع إلى بعضها،

a magical cube appears at the center.

يظهر مكعب سحري في الوسط.

(Applause)

(تصفيق)

That is surface tension at work,

هذا هو دور التوتر السطحي:

trying to find the most effective geometry arrangement.

يحاول إيجاد أكثر التنظيمات الهندسية فعالية.

Now, let me give you another example.

الآن، دعوني أعطيكم مثالاً آخر.

This is a very simple prop.

هذه دعامة بسيطة جدًا،

This is made from two layers of plastic

مصنوعة من طبقتين من البلاستيك

with four pins connected to each other.

مع أربعة دبابيس متصلة مع بعضها البعض.

Imagine these four pins represent four cities that are equally apart,

تخيل أن هذه الدبابيس الأربعة تمثل أربع مدن تفصلها مسافات متساوية،

and we would like to make roads to connect these four cities.

ونريد إنشاء طرق تربط بينها.

My question is: What is the shortest length to connect these four cities?

سؤالي هو: ما هي أقصر مسافة يتطلبها الربط بين هذه المدن الأربعة؟

Let's find out the answer by dipping it into the soapy water.

هيا بنا نكتشف الإجابة من خلال غمسها في ماء صابوني.

Remember, the soap bubble forms will always try to minimize

تذكروا، فقاقيع الصابون ستحاول دائمًا تقليص

their surface area

مساحة سطحها

with a perfect geometry arrangement.

بتكوين تنظيمات هندسية مثالية.

So the solution might not be something you expected.

لذلك فالحل ربما يكون مفاجئًا.

The shortest length to connect these four cities

المسافة الأقصر لربط الأربع مدن مع بعضها

is 2.73 times the distance between these two cities.

تعادل 2.73 مرة المسافة بين هاتين المدينتين.

(Applause)

(تصفيق)

Now you've got the idea.

لقد فهمتم الفكرة الآن.

The soap bubble forms will always try to minimize their surface area

أشكال فقاقيع الصابون ستحاول دائماً تقليص مساحة سطحها

with a perfect geometry arrangement.

بتكوين تنظيمات هندسية مثالية.

Now, let us look at bubbles in another perspective.

الآن، دعونا ننظر إلى الفقاقيع من منظور آخر.

My daughter, Zoe, loves visiting zoos.

ابنتي زوي تحب زيارة حدائق الحيوان.

Her favorite spot is Penguin Cove at Marwell Zoo in Southern England,

ومكانها المفضل هو (خليج البطريق) في حديقة حيوانات (مارويل) في جنوب إنجلترا،

where she could see penguins swim at speed under the water.

حيث يمكنها أن ترى البطاريق تسبح بسرعة تحت الماء.

One day, she noticed that the body of penguins

في أحد الأيام، لاحظت أن أجسام البطاريق

leaves a trail of bubbles when they swim

تترك خلفها ذيلاً من الفقاقيع عندما تسبح،

and asked why.

وسألَت عن السبب.

Animals and birds like penguins

إن الحيوانات والطيور على شاكلة البطاريق

that spend a lot of their time under the water

-والتي تقضي الكثير من وقتها تحت الماء-

have evolved an ingenious way of utilizing the capability of bubbles

قد طوّرت طريقة بارعة لاستغلال قدرة الفقاقيع

to reduce the density of water.

على تقليل كثافة الماء.

Emperor penguins are thought to be able to dive a few hundred meters

فالبطاريق الإمبراطورية يُعتقد أنها قادرة على الغوص بضع مئات الأمتار

below the sea surface.

تحت سطح البحر.

They are thought to store the air under their feathers

ويُعتقد أنها تخزّن الهواء تحت ريشها

before they dive

قبل الغوص،

and then progressively release it as a cloud of bubbles.

ومن ثم تطلقه تدريجيًا كسحابة من الفقاقيع.

This reduces the density of water surrounding them,

هذا يقلّل كثافة الماء المحيط بها،

making it easier to swim through

ويسهّل عليها السباحة،

and speed up their swimming speed at least 40 percent.

ويزيد من سرعة السباحة بمقدار 40% على الأقل.

This feature has been noticed by the ship manufacturers.

هذه الخاصية لاحظها صانعو السفن.

I am talking about the big ships here,

أتحدث هنا عن السفن الكبيرة،

the ones that are used to transport thousands of containers across the ocean.

والتي تُستخدم في نقل آلاف الحاويات عبر المحيط.

Recently, they developed a system called "air lubricating system,"

مؤخرًا، طوروا نظامًا يُسمَّى (نظام التشحيم بالهواء)،

inspired by the penguins.

والذي استلهموه من البطاريق.

In this system, they produce a lot of air bubbles

في هذا النظام، ينتجون الكثير من فقاقيع الهواء

and redistribute them across the whole of the ship,

ويعيدون توزيعها على كامل السفينة،

like an air carpet that reduces the water resistance

على شكل بساط هوائي، مما يقلل من مقاومة الماء

when a ship is moving.

أثناء حركة السفينة.

This feature cuts off the energy consumption for the ship

هذه الميزة تقلّل استهلاك السفينة من الطاقة

up to 15 percent.

بنسبة تصل إلى 15%.

Bubbles can also be used for medicines.

يمكن استخدام الفقاقيع أيضًا في الأدوية.

It can also play a role in medicines,

يمكن أن تلعب أيضًا دورًا في الأدوية،

for instance, as a method for noninvasive delivery systems for drugs and genes

مثلاً، كوسيلة إيصال غير جراحية للأدوية والچينات

to a specific part of the body.

لأجزاء محددة من الجسم.

Imagine a microbubble

تخيل فقاعة ميكروسكوبية

filled with a mixture of drugs and magnetic agents

معبأة بمزيج من الدواء وجسيمات مغناطيسية

being injected into our bloodstream.

وحُقِنت في مجرى الدم.

The bubbles will move to the target areas.

ستتحرك الفقاقيع نحو المناطق المستهدفة.

But how do they know where to go?

لكن كيف تعرف الفقاقيع اتجاهها؟

Because we placed a magnet there.

لأننا وضعنا مغناطيسًا في المنطقة المستهدفة.

For instance, this part of my hand.

وليكن مثلاً هذا الجزء من يدي.

When the microbubbles move to this part of my hand,

عندما تتحرك الفقاقيع الميكروسكوبية إلى هذا الجزء من يدي،

we can pop it via ultrasound

يمكننا فرقعتها من خلال الموجات فوق الصوتية

and release the drug exactly where it's needed.

وإيصال الدواء إلى الموضع المَراد بالضبط.

Now, I mentioned about the science of creating bubbles.

الآن، ذكرت في حديثي علم إنشاء الفقاقيع.

But sometimes we also need to remove them.

لكننا أيضًا نرغب في إزالتها أحيانًا.

That's actually part of my job.

هذا في الواقع جزء من وظيفتي.

My exact job title is "ink formulation scientist."

اسم وظيفتي بالضبط هو (عالمة تركيب الحبر).

But I don't work on the ink that you use for your writing pens.

لكنني لا أعمل على الحبر الذي تستخدمونه في أقلام الكتابة خاصتكم.

I'm working on some cool applications

ولكن أعمل على بعض التطبيقات الرائعة

such as organic photovoltaics, OPVs,

مثل: الطاقة الفولطاضوئية العضوية (OPVs)،

and organic light-emitting diodes, OLEDs.

والصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء (OLEDs).

Part of my job is to figure out how and why we want to remove the bubbles

جزء من وظيفتي هو معرفة كيف ولماذا نريد إزالة الفقاقيع

from the ink that my company produces.

من الحبر الذي تنتجه شركتي.

During the formulation-mixing process,

أثناء عملية التركيب والمزج،

or preparation process,

أو عملية الإعداد،

we mix active ingredients, solvents and additives

نخلط المكونات النشطة والمذيبات والمُضافات

in order to achieve the formulations with the properties we want

للوصول إلى التركيبات ذات الخصائص التي نريدها في الحبر عند استخدامه.

when the ink is being used.

But just like you would make drinks

لكن كما هو الأمر عندما تصنع شرابًا

or bake cakes,

أو تخبز كعكة،

it is unavoidable that some air bubbles will be trapped inside that ink.

لا مفر أن بعض فقاقيع الهواء ستعلق داخل ذلك الحبر.

Here, we are talking about a different space

نحن هنا نتحدث عن شيء مختلف

from the bubbles I'd seen in Paris.

عن تلك الفقاقيع التي رأيتها في باريس.

The bubbles that are trapped inside those inks

الفقاقيع العالقة داخل هذه الأحبار

vary between a few millimeters,

تتفاوت ما بين ملليمترات قليلة،

a few microns

أو ميكرومترات قليلة،

or even a few nanometers in size.

أو حتى نانومترات قليلة من حيث الحجم.

And what we are concerned about

وما نهتم به

is the oxygen and the moisture that is trapped inside.

هو الأكسچين والرطوبة العالقين في الداخل.

At this size scale, removing them is not easy.

وبالنظر إلى هذه الأحجام الضئيلة، فإن إزالتها ليست بالأمر السهل.

But it matters,

لكنه أمر مهم،

for instance, for organic light-emitting diodes inks

كما مع أحبار الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء

that we can use to produce display for your smartphone, for example.

التي يمكن أن نستخدمها في شاشات عرض الهواتف الذكية، على سبيل المثال.

It's supposed to last for many years,

من المفترض أن تعمل لسنين عديدة،

but if the ink that we use has been absorbed with oxygen and moisture

لكن إذا كان الحبر مُشبعًا بالأكسچين والرطوبة

[which] are not being removed,

ولم يتم إزالتهما،

then we can quickly see dark spots appear in the pixels.

فسرعان ما ستظهر بقع سوداء على الشاشة.

Now, one challenge we face in removing the microbubbles

إحدى الصعوبات التي نواجهها حاليًا في التخلص من الفقاقيع الميكروسكوبية

is that they are not very cooperative.

هو أنها غير متعاونة.

They like to sit there,

يروق لها البقاء هناك،

bathing in the ink without moving much.

والطفو داخل الحبر بلا كثير حركة.

But how do we kick them out?

لكن كيف نتخلص منها؟

One technology we use

إحدى التقنيات التي نستخدمها

is to force the ink going through a thin, long and tiny tube

هي دفع الحبر ليعبر خلال أنبوب رفيع وطويل وضئيل

with a porous wall,

مع جدار مسامية،

and we place the tubes inside the vacuum chamber,

ثم نضع الأنابيب داخل غرفة مفرغة من الهواء،

so that the bubbles can be squeezed out from the ink

وبالتالي يمكن إخراج الفقاقيع من الحبر

and be removed.

ومن ثم إزالتها.

Once we manage to remove the bubbles from the ink that we produce,

حالما نتمكن من إزالة الفقاقيع من الحبر الذي ننتجه،

it is time for celebration.

يحين وقت الاحتفال.

Let's open a bubbling champagne.

لنفتح زجاجة شمبانيا مليئة بالفقاقيع!

Ooh, this is going to be fun!

أوه، سيكون هذا ممتعًا!

(Laughter)

(ضحك)

Woooo!

ووووو!

(Applause)

(تصفيق)

You could see a lot of bubbles rushing out from the champagne bottle.

يمكنكم رؤية العديد من الفقاقيع تندفع خارج قارورة الشمبانيا

These are the bubbles filled with carbon dioxide,

هذه الفقاقيع مليئة بثاني أكسيد الكربون،

a gas that's been produced during the fermentation process of the wine.

وهو الغاز الذي ينتج أثناء عملية تخمير النبيذ.

Let me pour some out.

دعوني أصبّ كأسًا.

I can't miss the chance.

لا يمكنني إضاعة الفرصة.

I guess it's enough.

أعتقد أن هذا كافٍ.

(Laughter)

(ضحك)

Here, I can see a lot of microbubbles

يمكنني رؤية الكثير من الفقاقيع الميكروسكوبية هنا

moving from the bottom of the glass to the top of the champagne.

تتحرك من قاع الكوب إلى قمة الشمبانيا.

Before it pops,

قبل أن تتفرقع،

it will jet tiny droplets of aroma molecules

ستسبب تدفق قطرات ضئيلة من جُزيئات النكهة

and intensify the flavor of champagne,

مما يساعد على تكثيف نكهة الشمبانيا،

making us enjoy much more the flavor of champagne.

ويزيد من استمتاعنا بنكهتها.

As a scientist who is passionate about bubbles,

كعالمة مولعة بالفقاقيع،

I love to see them,

أحب مشاهدتها،

I love to play with them,

أحب اللعب بها،

and I love to study them.

وأحب دراستها،

And also, I love to drink them.

وأيضًا أحب شربها.

Thank you.

شكرًا.

(Applause)

(تصفيق)