Fysikere belyser, hvordan vådhed påvirker et fænomen i skum

Uanset om man drikker øl, spise is eller vaske op, det er rimeligt at sige, at mange mennesker støder på skum i hverdagen. Det er i alt fra rengøringsmidler til drikkevarer til kosmetik. Uden for hverdagen, det har applikationer inden for områder som brandslukning, isolering af giftige materialer og distribution af kemikalier. Men der er stadig meget at lære om dette allestedsnærværende materiale.

"Skum er naturens ideelle tilfældige uordnede materialer, " sagde Douglas Durian, en fysikprofessor ved School of Arts and Sciences ved University of Pennsylvania. "Bestilte faste stoffer, materialer med en krystallinsk struktur nedenunder, er nemme at beskrive. Hvor vi ikke ved meget, men lærer stadig, er i systemer, der er uordnede og langt fra ligevægt, og det er dette til en T. Du kunne tænkes at lave et ordnet skum ved at blæse individuelle bobler i samme størrelse og stable dem som kanonkugler, men du vil være nødt til at lave en lille fejl. Hvis en boble er uendeligt mindre end alle de andre, det vil være under højere pres, og det vil begynde at skrumpe. Det udvikler sig naturligt til denne uordnede tilstand, hvor det er polydispers, og det er bare skønt."

Da skum ofte bruges i industrien, opnåelse af en bedre grundlæggende forståelse af materialet vil sætte folk i stand til at kontrollere dets stabilitet, manipulere den til at holde længere, så den bedre kan udføre sin funktion. Det kan også destabilisere det og forhindre det i at dukke op på uønskede steder. For eksempel, når man skal behandle væsker i industrien, hastigheden, hvormed det gøres, er begrænset af skumdannelse.

Ser en time-lapse-film af et kvasi-todimensionelt skum, man kan bemærke, at det udvikler sig over tid, de enkelte bobler i langsomt skiftende form. Til sidst, den gennemsnitlige boblestørrelse i skummet vokser, et fænomen, der kaldes forgrovning. Denne forgrovning giver skummet en måde at slippe af med overfladearealet. Durian og Cody Schimming, en Penn fysik hovedfag og nu en kandidatstuderende ved University of Minnesota, har udgivet et papir i Fysisk gennemgang E der undersøger, hvordan graden af ​​fugtighed af et skum påvirker dette fænomen.

For at forstå dette, man kan tænke på en blanding af sæbe og vand. Hvis man skulle sprøjte en smule shampoo eller rengøringsmiddel i en flaske vand med et par dråber gul madfarve og ryste det op, flasken ville hurtigt blive fyldt op med skum.

"Hvis du kiggede nærmere på det, " sagde Durian, "Man kunne se, at de små bobler var meget plettede og tørre og en slags polyedriske ovenpå. Når man går ned, du vil se mere farve, fordi der er mere væske i den. Du vil også bemærke, at boblerne nede, hvor det er mere gult, faktisk er rundere. Så de går fra at være fastklemte og polyedriske til i det væsentlige ikke fastklemte og sfæriske nede nær bunden."

Tæt på ville skummet være tørt og plettet mod toppen, bestående af små pinde, kaldet Plateau grænser, hvor tre film mødes. Efterhånden som skummet bliver vådere mod bunden, de pinde bliver tykkere, indtil de begynder at blive kugleformede. Denne graduering af struktur, Durian sagde, er det samme uanset hvad der er i skummet eller størrelsen på boblerne.

Som tiden går, mere og mere væske vil samle sig i bunden af ​​flasken. Der er tre forskellige mekanismer, der får gassen og væsken til at adskilles. En af dem er filmbrud, eller der springer bobler. Fordi denne proces er forårsaget af fordampning, det vil ikke forekomme i den forseglede flaske. Den anden mekanisme er gravitationsdræning:tyngdekraften trækker væsken ned, og boblerne går op. Det er det, der forårsager adskillelsen i flasken.

Men det ville være muligt at eliminere gravitationsdræning, hvis skummet blev placeret i et mikrogravitationsmiljø, såsom den på den internationale rumstation. I dette tilfælde, forgrovning bliver synderen, da gas diffunderer fra små højtryksbobler til større lavtryksbobler.

"Hvad folk plejede at antage, " sagde Durian, "var, at disse plateaugrænser totalt ville blokere spredningen af ​​gas, og at gasdiffusion kun ville gå hen over sæbefilmsvinduerne. Hvad Cody gjorde, var, at han faktisk løste diffusionsligningen numerisk for at finde ud af, hvad der foregår inden for disse Plateau-grænser. Du kan gætte på, at den diffusive strøm af gas gennem plateauets grænser er proportional med den gensidige tykkelse og derfor er ubetydelig lille. Men Cody viste, at det faktisk er proportionalt med den gensidige af kvadratroden af ​​produktet af kanttykkelse og filmtykkelse. Da filmene er så tynde, strømmen af ​​gas, der krydser grænsen, er derfor langt, langt større end antaget."

Forskerne anvendte det, de opdagede, på en lov for ændringshastigheden for bobleområdet af matematiker og fysiker John von Neumann. Ifølge von Neumanns lov, hastigheden for ændring af areal er lig med antallet af sider minus seks. Man kunne forvente, at hvor hurtigt boblen udveksler gas med sine naboer, vil afhænge af ting som dens størrelse og form, men, ifølge von Neuman-loven, topologi er det eneste, der er vigtigt. I deres papir, Durian og Schimming gentog dette argument og inkorporerede, hvad de lærte om grænseblokering og grænsepassage for at se, hvordan det bliver ændret.

"Der er disse tre mekanismer, og vi forsøger at forstå det grundlæggende i, hvordan de fungerer, " sagde Durian. "Vi har et godt billede fra von Neumann-loven om, hvordan tørre skum groft. Von Neumann-loven gælder kun for denne ideelle grænse, at der er nul væske. Men ingen skum er matematisk tørre. Ægte skum har masser af væske i sig, så alle disse mekanismer bliver ændret på en eller anden afgørende måde, og vi prøver at finde ud af, hvordan det går. Hvis du kan forstå det grundlæggende, så burde det være muligt at forbedre alle disse applikationer, hvor det er så vigtigt at være i stand til at kontrollere præcis, hvor hurtigt forgrovningen finder sted."

Durian sagde, at han kan lide at studere skum, fordi i modsætning til andre langt fra ligevægtssystemer, forberedelseshistorien er ligegyldig.

"Jeg kan lave skum på enhver gammel måde, og hvis jeg venter et stykke tid, vil det slette sin historie, " sagde han. "Det har sin egen udvikling, der bringer os til denne reproducerbare tilstand, så det er en måde at få et uordnet materiale på, der er perfekt reproducerbart. Jeg elsker også, at fysikken er styret af geometri. Disse sæbefilm er minimale overflader med konstant krumning. Der er topologiregler for, hvordan filmene hænger sammen, så mikrostrukturens geometri og topologi er styret af smuk matematik. Uafhængigt af størrelsen af ​​boblen eller den kemiske sammensætning, de er bare vidunderligt ideelle tilfældige materialer at tænke på."