De prachtige kleuren in een zeepbel ontstaan door interferentie van het licht. Lichtstralen worden zowel aan de voorzijde als aan de achterzijde van een dun zeepvlies weerkaatst. Direct nadat de bel is geblazen zijn alleen in het hoogste deel van de bel kleurenbanden te zien. Naarmate het water in het vlies door zijn zwaarte naar beneden zakt, worden ook de lager gelegen gedeelten van het vlies dunner en worden de kleurbanden breder. Dan, als de bovenzijde nog dunner wordt, kleurt het zeepvlies daar eerst geel en dan wit van kleur, en tenslotte zwart. Kort daarna spat de bel uit elkaar.

Alleen al het kleurenspel is de moeite waard om met zeepoplossingen te experimenteren. In de natuurkunde worden er convectieve stromingen mee bestudeerd en ook het verschijnsel turbulentie. Zo heeft de studie van zeepbellen reeds een bijdrage geleverd aan het veiliger maken van het vliegverkeer en het begrijpen van de turbulente stromingen die zich voordoen bij de Rode Vlek in de atmosfeer van de planeet Jupiter en de wervelingen die ontstaan in onze eigen Atlantische Oceaan.

Op het gebied van de wiskunde zorgen zeepvliezen eveneens voor verrassingen. Dompel maar eens een cirkelvormig draadframe in een zeepoplossing en trek dat omhoog. Er vormt zich een strak gespannen vlies, dat door de oppervlaktespanning een zo minimaal mogelijk oppervlak wil innemen. Met ingewikkelder draadframes, zoals een piramide of een kubus, zijn die minimaaloppervlakken zelfs nog beter te zien. De zeepvliezen vormen zich dan niet rondom de geometrische structuren, maar vormen binnenin strak gespannen vliezen, die onderling op een zodanige manier aan elkaar zitten dat daar slechts een minimum aan energie voor nodig is.

De eerste die zich bezighield met een grondige studie van zeepvliezen was de Belgische natuurkundige Joseph A. Plateau. Plateau werd beroemd als de man die in 1829 bij een van zijn optische experimenten zo lang in de zon keek dat hij zijn netvlies beschadigde en langzamerhand blind werd. Voordat Plateau zijn gezichtsvermogen volledig verloor, hield hij zich bezig met de studie van vloeistofvliezen en oppervlaktespanning. In een soort afwasteiltje in zijn laboratorium onderzocht hij hoe groepen zeepbellen in elkaar aan elkaar zitten. Ook maakte hij een aantal ‘draadframes’ die hij in het zeepsop onderdompelde en eruit omhoog trok. Dan bleek daar een zeepvliezenstructuur in te zitten die weliswaar afhankelijk was van de vorm van het frame.

Een verklaring voor de wetmatigheden van de zeepvliesstructuren gaf Plateau niet. Pas later begreep men dat zeepvliezen binnen een frame naar een toestand zoeken waarbij alle krachten die erop werken in evenwicht zijn. De oppervlaktespanning van de zeepvloeistof houdt het vlies aaneengesloten (zie intermezzo ‘Spannende moleculen’); de vliezen zitten onderling op zo’n manier aan elkaar dat er een minimum aan energie voor nodig is. Dat laatste verklaart waarom binnen een zeepvliesstructuur slechts twee verschillende hoeken (120 en 109o28 graden) voorkomen.

Het is natuurlijk leuk om te weten hoe zeepbellen en zeepvliesstructuren ontstaan. Maar veel belangrijker is het om te weten waarvoor je ze kunt gebruiken. Naast het wetenschappelijk onderzoek dat ermee wordt gedaan kunnen ze ook inzicht geven.

Eerste voorbeeld: aan de hand van een zeepbel kan een heelalmodel worden verduidelijkt dat bolvormig is. Als het heelal op een bepaald moment door een verschrikkelijke explosie is ontstaan en daarna uitdijde, dan ziet het heelal er ongeveer uit als een zeepbel die steeds groter wordt. Bij heelalmodellen komen vaak oppervlakken met een positieve of een negatieve kromming ter sprake. Een voorbeeld van een negatief gekromd oppervlak is het ‘zadelvlak’. Ook dat maakt een zeepvlies duidelijk. Binnen een kubusvormig draadframe kan men na het doorprikken van een de juiste vliezen een paar in elkaar overlopende zadelvlakken laten ontstaan.

Dankzij de minimaaloppervlakken van zeepvliezen weet men nu ook in de biologie waarom skeletten van oerdiertjes of radiolariën, die er vaak zo ingewikkeld uitzien, toch altijd zo sterk op elkaar lijken. De vaste, skeletvormende bestanddelen van de cellen die ooit het levende protoplasma onthulden, hebben zich gewoon afgezet op de raaklijnen tussen de celcompartimenten. Die gedroegen zich, al beseften ze het zelf niet, precies als een zeepvlies!

Licht en kleur in een zeepvlies

Een zeepbel of een zeepvlies krijgt na verloop van tijd een schitterende kleurenschakering. Tijdens het blazen van een zeepbel is de kleur een mengeling van purper en groen. Naarmate de bel groter wordt, wordt de zeepfilm zo dun dat die kleuren elkaar heel snel afwisselen. Na een aantal keren purper, groen, purper volgt dan een overwegend gele kleur, gevolgd door groen, purper, blauwgroen en weer purper. Al snel vertoont een steeds groter deel van de bel een gele gloed. Door het geel kringelt al een groot aantal lichte en donkere plekken. Laten we de bel met rust, dan wordt hij geheel wit (kleurloos) en direct daarna zwart. Als de bel zwart is geworden, heeft de zeepfilm zijn minimale dikte bereikt en spat de bel uit elkaar.

Bij een zeepvlies in een frame is hetzelfde kleurenpatroon te zien als bij een zeepbel. Door de zwaartekracht is het zeepvlies in het laagst gelegen deel dikker dan in het hoogste. Als het zeepsop voldoende is afgedropen, is de dikte van het vlies zodanig dat op bepaalde plaatsen kleuren tevoorschijn komen die zich in horizontale banden rangschikken. Van beneden naar boven zijn het weer de kleuren purper, groen, purper, groen, purper, geel, purper, blauwgroen, purper, geel, wit, zwart. Als het zwarte (dunste) gedeelte groot genoeg is geworden, knapt het vlies.

De snelheid waarmee de kleuren in een zeepvlies zich instellen, kan van buitenaf worden beïnvloed. Wordt er lucht zijdelings langs het vlies geblazen, bijvoorbeeld door een rietje, dan wordt de laag ter plaatse dunner en worden snel ronddraaiende kleurenringen zichtbaar. Het kleurenpatroon in een zeepbel of zeepvlies is identiek aan dat van een uitgelopen olievlek op een nat wegdek. De fotografie kent nog zo’n verschijnsel: de Newton-ringen die vaak zichtbaar worden bij het projecteren van tussen glas ingeraamde dia’s. Aan dit laatste valt niet of nauwelijks te ontkomen, omdat de luchtlaag tussen dia en glas door de verhitting in de projector altijd ongelijk verdeeld zal worden. Zo gauw de rugzijde van de dia kromt en tegen het glas plakt, ontstaat er een wig in de luchtlaag en vormt zich een Newton-ring.

In alle drie de gevallen is sprake van hetzelfde verschijnsel: interferentiepatronen. Licht heeft namelijk een specifieke golflengte. Wanneer twee lichtstralen van gelijke golflengte elkaar ontmoeten, kan het golfpatroon in de pas lopen, waardoor een versterkte lichtgolf wordt opgebouwd. Als twee elkaar ontmoetende lichtgolven echter precies tegenovergesteld zijn in fase – dus als de toppen van de ene lichtgolf samenvallen met de dalen van de andere – doven ze elkaar uit. Licht plus licht geeft dan duisternis. Dit versterken en uitdoven wordt interferentie genoemd.

Onder meer treedt interferentie op in dunne laagjes materiaal, waar direct teruggekaatste lichtstralen van de bovenste grenslaag samenvallen met teruggekaatste lichtstralen van de onderste grenslaag. Bij een lichtbundel van één bepaalde golflengte wordt een strepenpatroon van afwisselend licht en donker zichtbaar.Bij wit licht, dat is opgebouwd uit licht van diverse golflengten, ligt het iets ingewikkelder. Slechts één kleur tegelijkertijd is zodanig uit de pas dat uitdoving met een andere lichtstraal plaatsvindt. Als dat bijvoorbeeld rood is, blijft na de vernietigende interferentie met het rood van de tweede witte lichtbundel het blauwgroene deel wel zichtbaar. Ook ontstaan er mengkleuren als purper (rood plus blauw) bij vernietigende interferentie van het gele deel van witte lichtbundels. Zo ontstaan de kleuren in zeepvliezen, die dus een heel ander karakter hebben dan de kleuren van de regenboog, die ontstaan door spectrale ontleding van het zonlicht.

Spannende moleculen

Oppervlaktespanning is een eigenschap van elke vloeistof; het is een gevolg van de aantrekkingskracht tussen de moleculen aan het oppervlak. Iedereen heeft wel eens kleine insekten op het water zien lopen (de schaatsenrijdertjes). Het wateroppervlak gedraagt zich dank zij de oppervlaktespanning als een elastisch vlies, dat sterk genoeg is om de insekten te dragen. Maar wat gebeurt er als er zeep in het water komt?

Watermoleculen zijn ‘polair’; de elektrische plus- en minladingen van het molecuul zijn ongelijk verdeeld. Eén kant is duidelijk ‘plus’ en de andere ‘min’. Daardoor trekken watermoleculen elkaar veel sterker aan dan niet-polaire moleculen. Een zeepmolecuul bestaat uit een lange, dunne keten van kool- en waterstofatomen met aan het eind een zuurstofgroep. De koolwaterstofketen is niet polair, de zuurstofgroep juist wel. In het water rijzen de zeepmoleculen naar het oppervlak, waarbij de koolwaterstofketens naar buiten uitsteken. Het wateroppervlak wordt dus bedekt met een niet-polaire laag, waardoor de oppervlaktespanning sterk vermindert. Als nu het oppervlak plotseling wordt vergroot – bij het blazen van een bel – neemt het aantal zeepmoleculen per eenheid van oppervlakte tijdelijk af. Het extra oppervlak wordt namelijk eerst opgevuld door watermoleculen die vlak onder de zeeplaag zaten, tot andere zeepmoleculen hun plaats kunnen innemen. Vlak na de oppervlaktevergroting bestaat dus een deel van het oppervlak uit watermoleculen, zodat de oppervlaktespanning tijdelijk groter wordt. De zeep zorgt dus voor een grotere elasticiteit van het oppervlak!

De oppervlaktespanning is overal even sterk, want het aantal zeep- en watermoleculen per eenheid van oppervlakte is overal ongeveer even groot. Bovendien kan het zeepvlies van een bel nooit dunner worden dan de lengte van twee zeepmoleculen aan elkaar, één voor elke zijde van het vlies. Deze eigenschap zorgt ervoor dat in een zeepvlies niet zonder meer gaten vallen.