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

Translator: Ehsan Memari Reviewer: Masoud Motamedifar

Some years ago, I was visiting Paris

چند سال پیش، از پاریس دیدن می‌کردم

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

و در یک عصر زیبای تابستانی کنار رود سن قدم می‌زدم.

I saw giant bubbles floating on the riverbank,

حباب‌های غول‌آسایی را دیدم که در حاشیه‌ی رودخانه شناور بودند،

like this one.

مثل این یکی.

The next moment, it popped and was gone.

لحظه‌‌ای بعد، ترکید و ناپدید شد.

Making them were two street performers surrounded by a crowd.

سازندگانشان دو اجرا کننده‌ی خیابانی بودند که جمعیت احاطه‌شان کرده بود.

They visibly make a living by asking for donations

مشخص بود که آن‌ها با تقاضای صدقه

and by selling pairs of sticks tied with two strings.

و با فروش جفت‌های چوبی که با ریسمان به هم گره زده شده بودند زندگی را می‌گذراندند.

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

وقتی که آنجا بودم، مردی یک جفت چوب به مبلغ ۱۰ یورو خرید،

which surprised me.

که من را شگفت‌زده کرد.

I am a scientist who is passionate about bubbles.

من یک دانشمندم که به حباب‌ها علاقه دارد.

I know the right trick to make the giant bubbles

من فوت و فن صحیح درست کردن حباب‌های غول‌آسا

is the right soapy water mixture itself --

که مخلوط مناسب آب و صابون است را می‌دانم--

not the sticks,

نه چوب‌ها، که شاید مورد نیاز باشند،

which may be needed,

but you can easily make them at home.

اما می‌توانید راحت درخانه آن‌ها را بسازید.

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

تمرکز روی چوب ها باعث می‌شود که ما ابزار واقعی که همان حباب است را نبینیم.

Bubbles might seem like something just children make while playing,

شاید حباب ها فقط شبیه چیزی به نظر برسند که بچه‌ها موقع بازی کردن می‌سازند،

but sometimes it can be really stunning.

اما بعضی وقت‌ها می‌توانند خیره کننده باشند

However, there are more fascinating science to bubbles,

اگرچه، علوم خارق‌العاده‌تری درمورد حباب‌ها وجود دارد،

such as problem-solving tools.

مثل ابزارهای حل المسائل.

So I would like to share with you

خب من می‌خواهم که چند داستان

a few stories about the science of creating bubbles

در مورد علم ساختن حباب‌ها و

and the science of eliminating the microscopic ones.

علم حذف کردن حباب‌های میکروسکوپی را با شما درمیان بگذارم.

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

همانطور که روی صفحه قرار گرفته، بیاید با حباب صابونی شروع کنیم.

It is made from very common substances:

این حباب از مواد خیلی معمولی ساخته شده:

air, water, soap, in the right mixture.

هوا، آب، صابون، مخلوط شده به شکل صحیح.

You can see soap bubbles constantly changing their colors.

شما می‌توانید ببینید که حباب‌ها دائما رنگشان را عوض می‌کنند.

This is due to the interaction with light at various directions

که به دلیل واکنش با نور درجهات مختلف

and the changes of their thickness.

و همچنین تغییر ضخامت آنهاست.

One of the common substances, water molecules,

یکی از مواد رایج، مولکولهای آب هستند،

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

که از دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن تشکیل شده اند-- H2O.

On most surfaces, water droplets tend to curve inwards,

بر روی اکثر سطوح، قطرات آب تمایل دارند که به سمت داخل انحنا داشته باشند،

forming a semihemisphere shape.

که شکلی نیمکره‌ای ایجاد می‌کنند.

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

به این خاطر است که قطرات آب شبیه یک صفحه‌ی کشسان هستند.

The water molecule on the surface is constantly being pulled inwards

مولکول آب روی سطح دائما توسط مولکولی که در مرکز قرار دارد

by the molecule at the center.

به سمت داخل کشیده می‌شود.

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

و این ویژگی ارتجاعی چیزی است که ما به آن "کشش سطحی" می‌گوییم.

Now by adding soap,

حالا با اضافه کردن صابون،

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

چیزی که رخ می‌دهد این است که مولکول‌های صابون کشش سطحی آب را کاهش می‌دهند،

making it more elastic and easier to form bubbles.

و آن را ارتجاعی‌تر و مناسب‌تر برای ایجاد حباب می‌کنند.

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

شما می‌توانید حباب را یک حل المسائل ریاضیاتی در نظر بگیرید.

You see it relentlessly trying to achieve geometry perfection.

می‌بینید که شدیدا بی‌رحمانه تلاش می‌کند تا به تکامل هندسی برسد.

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

برای مثال، کره شکلی است که کمترین مساحت

for a given volume.

برای یک حجم مشخص را دارد.

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

به همین دلیل است که یک حباب همیشه به شکل کره است.

Let me show you. Check it out.

بگذارید نشان‌تان بدهم، ببینید.

This is a single bubble.

این یک حباب است.

When two bubbles touch each other,

وقتی دو حباب همدیگر را لمس می‌کنند،

they can save materials by sharing a common wall.

می‌توانند با اشتراک یک دیواره مواد را ذخیره کنند.

When more and more bubbles are added together,

وقتی حباب‌های بیشتر و بیشتری به هم می‌پیوندند،

their geometry changes.

هندسه‌ی آنها نیز تغییر می‌کند.

These four bubbles are added together.

این چهار حباب به هم پیوسته‌اند.

They meet at one point at the center.

آنها در یک نقطه درمرکز به هم متصل می‌شوند.

When six bubbles are added together,

وقتی شش حباب به هم متصل می‌شوند،

a magical cube appears at the center.

یک مکعب جادویی در مرکز ظاهر می‌شود.

(Applause)

(تشویق)

That is surface tension at work,

این کشش سطحی در حالت عملی است،

trying to find the most effective geometry arrangement.

که سعی می‌کند موثرترین آرایش هندسی را پیدا کند.

Now, let me give you another example.

حالا، اجازه بدهید که مثال دیگری بزنم.

This is a very simple prop.

این یک پایه‌ی خیلی ساده است.

This is made from two layers of plastic

که از دو لایه پلاستیکی ساخته شده

with four pins connected to each other.

و با چهار پین که به هم متصل شده‌اند.

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

تصور کنید که این چهارپین بیانگر چهار شهر باشند که به یک اندازه از هم فاصله دارند،

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

و ما می‌خواهیم که با ساختن جاده این چهار شهر را به هم وصل کنیم.

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

سوال من این است: کوتاه‌ترین طول برای وصل کردن این چهار شهر به هم چیست؟

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

بیاید با غوطه‌ور کردن آن با آب صابون جواب رت پیدا کنیم.

Remember, the soap bubble forms will always try to minimize

یادتان باشد، که حباب‌های صابونی همیشه سعی در حداقل‌سازی

their surface area

مساحت سطح‌شان با ایجاد

with a perfect geometry arrangement.

یک نظم هندسی کامل دارند.

So the solution might not be something you expected.

بنابراین راه حل شاید همیشه چیزی نباشد که شما انتظارش را دارید.

The shortest length to connect these four cities

کوتاه‌ترین مسیر برای وصل کردن این چهار شهر

is 2.73 times the distance between these two cities.

برابر با ۲/۷۳ برابر فاصله‌ی بین این دو شهر است.

(Applause)

(تشویق)

Now you've got the idea.

حالا شما موضوع را متوجه شدید.

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

حباب صابونی همیشه سعی می‌کند که مساحت سطح را با

with a perfect geometry arrangement.

ایجاد بهترین شکل هندسی کم کند.

Now, let us look at bubbles in another perspective.

حالا، بیاید از منظر دیگری به حباب‌ها نگاه کنیم.

My daughter, Zoe, loves visiting zoos.

دخترم، زویی، عاشق دیدن باغ وحش است.

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

نقطه‌ی مورد علاقه‌اش پنگوئن کوو در باغ وحش مارول در جنوب انگلستان است،

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

جایی که دخترم می‌توانست شنا کردن سریع پنگوئن‌ها را زیر آب ببیند.

One day, she noticed that the body of penguins

یک روز، متوجه شد که بدن پنگوئن‌ها

leaves a trail of bubbles when they swim

موقع شنا کردن دنباله‌ای از حباب را بجا می‌گذارد

and asked why.

و پرسید که چرا؟

Animals and birds like penguins

حیوان‌ها و پرنده‌هایی مثل پنگوئن‌ها

that spend a lot of their time under the water

که بیشتر وقتشان را زیر آب سپری می‌کنند

have evolved an ingenious way of utilizing the capability of bubbles

به شکل هوشمندانه‌ای تکامل یافته‌اند تا بتوانند از قابلیت‌های حباب‌ها

to reduce the density of water.

جهت کاهش چگالی آب استفاده کنند.

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

باورها بر این است که پنگوئن‌های امپراطور قادر هستنند به چند صدمتر زیر سطح دریا

below the sea surface.

شیرجه بزنند.

They are thought to store the air under their feathers

قبل از شیرجه زدن هوا

before they dive

زیر پرهایشان ذخیره می‌شود

and then progressively release it as a cloud of bubbles.

و سپس به صورت مداوم هوا را به شکل توده‌های حباب آزاد می‌کنند.

This reduces the density of water surrounding them,

این عمل چگالی آب اطراف آن‌ها را کاهش می‌دهد،

making it easier to swim through

شنا کردن در آب را ساده تر می‌کند

and speed up their swimming speed at least 40 percent.

و سرعت شنا کردن آن‌ها را تا ۴۰ درصد افزایش می‌دهد.

This feature has been noticed by the ship manufacturers.

این ویژگی توسط سازندگان کشتی دیده شده است.

I am talking about the big ships here,

منظور من کشتی‌های بزرگ است،

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

آن‌هایی که برای ارسال هزاران محموله در سراسر اقیانوس‌ها استفاده می‌شوند.

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

اخیرا آن‌ها سیستمی ساخته‌اند به نام "سیستم روانکاری هوا"

inspired by the penguins.

که از پنگوئن‌ها الهام گرفته شده است.

In this system, they produce a lot of air bubbles

در این سیستم، آن‌ها حباب‌های هوای خیلی زیادی تولید می‌کنند

and redistribute them across the whole of the ship,

و درسراسر کشتی آن‌ها را توزیع می‌کنند،

like an air carpet that reduces the water resistance

مثل فرش‌های هوایی که وقتی کشتی در حال حرکت است

when a ship is moving.

مقاومت آب را کاهش می‌دهند.

This feature cuts off the energy consumption for the ship

این ویژگی مصرف انرژی کشتی را

up to 15 percent.

تا ۱۵ درصد کاهش می‌دهد.

Bubbles can also be used for medicines.

حباب‌ها در داروها هم می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند.

It can also play a role in medicines,

حباب‌ها می‌توانند در درمان هم نقشی را ایفا کنند،

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

برای مثال، به عنوان یک سیستم غیربیگانه برای تحویل دارو و ژن‌ها

to a specific part of the body.

در قسمت‌های خاصی از بدن استفاده می‌شوند.

Imagine a microbubble

یک میکروحباب را تصور کنید

filled with a mixture of drugs and magnetic agents

که با مخلوطی از داروها و عوامل مغناطیسی پرشده

being injected into our bloodstream.

و به درون جریان خون تزریق می‌شود.

The bubbles will move to the target areas.

حباب‌ها تا مناطق هدف جابجا می‌شوند.

But how do they know where to go?

اما آن‌ها چطور می‌دانند که کجا باید بروند؟

Because we placed a magnet there.

چون که ما یک آهن‌ربا آنجا جاسازی می‌کنیم.

For instance, this part of my hand.

برای مثال، این قسمت از دست من.

When the microbubbles move to this part of my hand,

وقتی که یک میکروحباب به این قسمت از دست من می‌رسد

we can pop it via ultrasound

ما می‌توانیم با فراصوت آن را بترکانیم

and release the drug exactly where it's needed.

و دقیقا دارو را درجایی که لازم است رها کنیم.

Now, I mentioned about the science of creating bubbles.

خب، من به علم ساختن حباب‌ها اشاره کردم.

But sometimes we also need to remove them.

اما گاهی اوقات لازم است که آن‌ها را از بین ببریم.

That's actually part of my job.

این هم بخشی از شغل من است.

My exact job title is "ink formulation scientist."

اسم دقیق شغل من این است "دانشمند فرمول‌سازی جوهر".

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

اما من روی جوهر‌هایی که برای نوشتن در خودکارها استفاده می‌کنید کار نمی‌کنم.

I'm working on some cool applications

من روی کاربردهای جالب کار می‌کنم

such as organic photovoltaics, OPVs,

مثل فتوولتائیک‌های آلی(OPV)،

and organic light-emitting diodes, OLEDs.

و دیودهای منتشرکننده نور(OLED).

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

بخشی از کار من این است که بفهمم چگونه و به چه دلیل می‌خواهیم حباب‌ها

from the ink that my company produces.

از جوهرهای تولیدی شرکتم حذف شوند.

During the formulation-mixing process,

درطول فرآیند ترکیب کردن فرمولاسیون

or preparation process,

یا فرآیند آماده سازی،

we mix active ingredients, solvents and additives

ما مواد‌های تشکیل دهنده فعال یعنی حلال‌ها و افزودنی‌ها را ترکیب می‌کنیم،

in order to achieve the formulations with the properties we want

تا به فرمولاسیونی با همان خواصی که در حین استفاده شدن جوهر می‌خواهیم

when the ink is being used.

دست پیدا کنیم.

But just like you would make drinks

اما دقیقا مثل وقتی که نوشیدنی درست می‌کنید

or bake cakes,

یا کیک می‌پزید،

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

اجتناب ناپذیر است که مقداری حباب داخل جوهر به دام بیفتند.

Here, we are talking about a different space

حالا، داریم درمورد فضایی متفاوت

from the bubbles I'd seen in Paris.

از حباب‌هایی که در پاریس دیدم صحبت می‌کنیم.

The bubbles that are trapped inside those inks

حباب‌هایی که داخل آن جوهر‌ها به دام افتادند

vary between a few millimeters,

در مقادیری بین چند میلیمتر،

a few microns

چند میکرون، یا حتی

or even a few nanometers in size.

چند نانومتر از نظر اندازه متفاوت‌اند.

And what we are concerned about

و چیزی که در مورد آن نگرانیم

is the oxygen and the moisture that is trapped inside.

اکسیژن و رطوبتی است که داخل آن به دام افتاده است.

At this size scale, removing them is not easy.

در این مقیاس،حذف کردن آن‌ها کار آسانی نیست.

But it matters,

اما مهم است،

for instance, for organic light-emitting diodes inks

برای مثال، جوهر‌دیودهای منتشر کننده نور

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

که مثلا می‌توانیم از آن‌ها برای تولید نمایشگر گوشی‌های هوشمند استفاده کنیم.

It's supposed to last for many years,

انتظار می‌رود که چندین سال دوام بیاورد،

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

اما اگر جوهری که ما با اکسیژن و رطوبت آن را همراه کرده‌ایم

[which] are not being removed,

که از بین رفتن نرفته‌اند،

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

آن‌وقت می‌توانیم به سرعت نقاط سیاهی را در پیکسل‌ها مشاهده کنیم.

Now, one challenge we face in removing the microbubbles

حالا، چالشی که ما با آن مواجه هستیم حذف کردن میکروحباب‌هایی است

is that they are not very cooperative.

که خیلی مشتاق همکاری نیستند.

They like to sit there,

عاشق این هستند که آنجا بشینند،

bathing in the ink without moving much.

بدون جنب و جوش خاصی داخل جوهر حمام کنند.

But how do we kick them out?

ولی چطوری آن‌ها را بیرون پرت کنیم؟

One technology we use

تکنولوژی که استفاده می‌کنیم

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

این است که جوهر را وادار به رفتن به داخل یک لوله باریک، طویل و کوچک کنیم

with a porous wall,

که دیواره‌ای پر از منفذ دارد،

and we place the tubes inside the vacuum chamber,

لوله ‌ها را داخل محفظه خلاء قرار می‌دهیم،

so that the bubbles can be squeezed out from the ink

و این‌گونه حباب‌ها می‌توانند از درون جوهر

and be removed.

بیرون بیایند و از بین بروند.

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

به محض این‌که موفق به بیرون کشیدن حباب‌ها از داخل جوهری که تولید کردیم شدیم،

it is time for celebration.

وقت جشن گرفتن است!

Let's open a bubbling champagne.

بگذارید یک شامپاین باز کنیم.

Ooh, this is going to be fun!

اوه، خیلی باحاله !

(Laughter)

(خنده)

Woooo!

شگفت‌انگیزه!

(Applause)

(تشویق)

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

حباب‌های زیادی را دیدید که از بطری شامپاین بیرون پریدند.

These are the bubbles filled with carbon dioxide,

این‌ها حباب‌هایی هستند که با کربن دی اکسید پر شده‌اند،

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

گازی که هنگام فرآیند تخمیر شراب تولید شده‌اند.

Let me pour some out.

بگذارید کمی بریزم.

I can't miss the chance.

نمی‌خواهم این شانس را از دست بدهم.

I guess it's enough.

فکر کنم کافی باشد.

(Laughter)

(خنده)

Here, I can see a lot of microbubbles

من می‌توانم این جا تعداد زیادی میکروحباب ببینم

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

که از ته لیوان به سر شامپاین حرکت می‌کنند.

Before it pops,

قبل از ترکیدن،

it will jet tiny droplets of aroma molecules

قطرات ریزی از مولکول‌های معطر را به بیرون پرتاب می‌کنند

and intensify the flavor of champagne,

و طعم شامپاین را دو چندان می‌کنند،

making us enjoy much more the flavor of champagne.

و باعث بیشتر لذت بردن ما از مزه آن می‌شوند.

As a scientist who is passionate about bubbles,

به عنوان یک دانشمند که عاشق حباب‌هاست،

I love to see them,

عاشق دیدن آن‌ها هستم،

I love to play with them,

عاشق بازی کردن با آن‌ها هستم،

and I love to study them.

و عاشق مطالعه آن‌ها هستم.

And also, I love to drink them.

همچنین، عاشق نوشیدن آن‌ها هم هستم.

Thank you.

ممنونم.

(Applause)

(تشویق)