Forskning viser med enestående nøjagtighed, hvad der sker med sæbe, når den breder sig på vand

En skål med vand drysset med peberflager sidder klar på Mahesh Bandis køkkenbordplade. Bandi, professor i fysik ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), fugter spidsen af ​​en spisepind med flydende sæbe, morskab skrevet på hans ansigt, og spørger sine middagsgæster deres forudsigelser:hvad vil flagerne gøre, når sæben møder vandoverfladen?

Han rører spisepinden til vandet - pludselig, flagerne flygter fra midten af ​​skålen. Dette er kun et meget enkelt eksempel på Marangoni -effekten, som Bandi studerer inde i sit laboratorium på OIST's Collective Interactions Unit.

Anmeldt så tidligt som 1686, fænomenet skyldes en forskel i overfladespænding - den kvalitet, der får en flydende overflade til at opføre sig som om den var en strakt elastisk membran. Stoffet med højere overfladespænding trækker stærkere end det med lavere overfladespænding, trække væskestrømmen mod den.

James Thomson, den ældre bror til fysikeren Lord Kelvin, beskrev fænomenet i 1855 som "de underlige bevægelser, der sædvanligvis observeres i filmen med vin, der klæber til indersiden af ​​et vinglas." Den samme kraft gør det muligt for vandløbere at glide langs overfladen af ​​en dam, og, som Bandi demonstrerer, får flager til at bevæge sig over vand. Endnu, på trods af dens allestedsnærværende, Marangoni -effekten er undvigende.

"Du kan se det i dit køkken, men det er notorisk svært at kvantificere, "sagde Bandi. I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , han og hans kolleger præsenterer en metode til netop dette ved at studere fænomenet gennem tre forskellige uafhængige målinger.

Flydende sæbe gør flere ting, når den rører en skål med vand:noget af det breder sig over vandets overflade, mens nogle begynder at opløse i vandet. Forskerne fandt ud af, at disse faktorer - som tilsammen udgør Marangoni -effekten - kan forekomme i forskellig grad.

Bandi og hans kolleger arbejdede ud fra en matematisk model udviklet af Brown University professor, Shreyas Mandre, som forudsiger, hvordan en væske som vand interagerer med et overfladeaktivt middel - en væske som sæbe eller vaskemiddel, som har lavere overfladespænding, introduceret på overfladen. Ved hjælp af et specialbygget renrum, forskere ved OIST udførte flere eksperimenter for at bekræfte forudsigelser af, hvordan væskerne ville interagere.

For at vise væskens bevægelse, forskerne brugte en rektangulær beholder fyldt med vand. Næste, de brugte en sprøjte til at deponere overfladeaktivt stof, indeholder også små partikler, ved luft-vand-grænsefladen-den nøjagtige overflade af vandet.

Forskerne visualiserede derefter hastigheden af ​​de to væsker ved hjælp af en teknik kaldet Laser Doppler Velocimetry, som registrerer ændringer i frekvensen af ​​lysbølger, når en laserstråle rammer dem. De verificerede deres resultater med to yderligere metoder. Forskerne målte overfladeaktivt stofs spredning ned gennem grænselaget og ned i det underliggende vand. De målte også "forskydningsspænding" eller intensitet, hvormed det overfladeaktive stof trækker vandet.

Forskerne fandt ud af, at ved hjælp af deres model, de kunne nøje forudsige den hastighed, hvormed et overfladeaktivt stof spredte sig. Deres fund passer inden for et af to scenarier:afhængigt af om det overfladeaktive stof hurtigt opløses eller ej, det spredte sig mere eller mindre hurtigt i vandet, end det spredte sig over vandoverfladen.

Tidligere arbejde havde antydet, at et overfladeaktivt stof opløses i vand hurtigere, end det spredte sig over overfladen, men den nye undersøgelse viser et mere komplekst billede af, hvordan opløsning og spredning af det overfladeaktive stof påvirker fænomenet.

Forskere fandt ud af, at denne foranstaltning afhang af, hvorvidt det overfladeaktive stof let opløses. Hvis så, det spredte sig hurtigere i vandet, end det spredte sig over overfladen, og hvis ikke, det diffunderede mindre hurtigt, end det spredte sig.

Undersøgelsen tager endnu et skridt mod at forstå et komplekst og dynamisk fænomen.

"Teori er en tilnærmelse til virkeligheden, men den virkelige verden er rodet, "sagde Bandi. Alligevel, han og hans samarbejdspartnere var i stand til at forudsige væskernes adfærd i den virkelige verden - "bevis på at teorien virker."