Når skum kollapser (og når de ikke gør det)

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har afsløret, hvordan flydende skum kollapser ved at observere individuelle kollapshændelser med højhastighedsvideomikroskopi. De fandt ud af, at revner i film førte til en vigende væskefront, der fejer op over den originale filmkant, vender sin form, og frigiver en dråbe, som rammer og bryder andre film. Deres observationer og fysiske model giver nøgleindsigt i, hvordan man kan gøre skum mere eller mindre modstandsdygtige over for kollaps.

At forstå, hvordan skum kollapser, er en alvorlig sag. Uanset om det er at sikre, at brandslukningsskum hænger sammen længe nok til at slukke flammer, rensning af giftige skum i have og floder, eller bare få den perfekte hævning på en kage, at få styr på, hvordan skummaterialer kollapser, er afgørende for at skræddersy deres egenskaber, både for at holde skum i længere tid eller hjælpe dem med at forsvinde hurtigere.

Et hold ledet af prof. Rei Kurita fra Tokyo Metropolitan University har udført højhastigheds videomikroskopi eksperimenter på flydende skum. Ved at generere skum klemt mellem to tynde, gennemsigtige plader, de har direkte adgang til hele rækken af ​​komplekse fænomener, der opstår, når de begynder at kollapse. I tidligere arbejde, de viste, at en vigtig måde, hvorpå skum kollapser, er via dannelsen af ​​dråber, når individuelle film brister. Disse dråber flyver væk med høj hastighed og knækker andre omgivende film, fører til en kaskade af brud, der får skummet til at bryde ned. Endnu, det var endnu ikke kendt, hvordan dråberne nøjagtigt blev dannet. Vigtigt, det var ikke klart, hvornår dråber blev dannet, og hvornår de ikke var.

Nu, holdet er begyndt at optrevle den komplekse mekanisme bag, hvordan disse dråber er lavet. Når der dannes en første revne i en film, filmen trækker sig tilbage og efterlader en vaklende linje af væske, hvor den oprindelige filmkant var, kaldet den frigivne lodrette plateaugrænse (RVPB). Mens den vakler, der er en ophobning af væske i midten af ​​RVPB. Når der oprettes en yderligere revne i den resterende film, der dannes en vigende linje af væske, som fejer RVPB op.

Interessant nok, videoer viste, at denne front har en tendens til at vende i form, når den bevæger sig. Holdet fandt ud af, at dette i høj grad skyldes en inertieffekt, da den tungere centrale del bevæger sig mindre under en konstant kraft. Vigtigt, det er denne inversion, der i sidste ende får en dråbe til at blive frigivet, initierer en kaskade af filmbrudshændelser. Deres arbejde står i kontrast til tidligere undersøgelser, der kiggede på stående individuelle film; ophobning af væske i midten af ​​RVPB'er er kun mulig inde i skum, hvor væske kan tilføres af omgivende film og border. Den fysiske model, de udviklede til at beskrive dynamikken, viste sig at give pålidelige forudsigelser af fronthastighed og relevante tidsskalaer.

Endelig, holdet erstattede laboratoriereagenser med et husholdningsvaskemiddel og gentog eksperimentet, skabe et meget mere langtidsholdbart skum. Når en boble sprænges i siden, de fandt en lignende ophobning af væske i midten af ​​RVPB'er, dog væsentligt mindre end tidligere. Filmens forbedrede elasticitet betød også, at det var ekstremt usandsynligt, at der skulle dannes to revner i den samme film; det betød, at der ikke blev dannet dråber, dvs. intet kollektivt boblekollaps:i lyset af mekanismen fundet ovenfor, dette viser endegyldigt, at både mindre transport inden for RVPB'er og færre revner bidrog direkte til skumstabiliteten. Sådan indsigt er afgørende for at styre designet af nye skummaterialer med forbedrede egenskaber; holdet håber, at deres arbejde kan inspirere til avancerede isoleringsmaterialer, rengøringsmidler, fødevarer og kosmetik.