To distinkte fysiske mekanismer identificeret for, hvordan simple skum kollapser

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har opdaget to forskellige mekanismer, hvorved skum kan kollapse, giver indsigt i forebyggelse/acceleration af skumsprængning i industrielle materialer, f.eks., fødevarer, kosmetik, isolering og opbevarede kemikalier. Når en boble går i stykker, de fandt ud af, at en sammenbrudshændelse forplanter sig via stød med den vigende film og små spredte dråber, der bryder andre bobler. At identificere hvilken mekanisme der er dominerende i forskellige skum kan hjælpe med at skræddersy dem til specifikke applikationer.

Skum spiller en nøglerolle i en lang række industrielle produkter, herunder fødevarer, drikkevarer, lægemidler, rengøringsmidler og kosmetik. De har materialeanvendelser såsom bygningsisolering, flyinteriør og flammehæmmende barrierer. De kan også være en uønsket egenskab ved et produkt af skumdannelse i opbevarede kemikalier under transport. Fra et videnskabeligt perspektiv, de udgør også en unik form for stof, en fin balance mellem det komplekse netværk af kræfter, der virker på væskefilmnetværket, der udgør dets struktur, og trykket fra gassen, der er fanget indeni. At forstå, hvordan skum opfører sig, kan give ny fysisk indsigt, samt bedre måder at bruge dem på.

Naoya Yanagisawa og lektor Rei Kurita satte sig for at observere, hvordan skum kollapser. De tog en opløsning af vand, glycerol og et almindeligt overfladeaktivt middel (et filmstabiliserende middel) og skabte et todimensionelt skum, der blev klemt mellem to stykker glas. Ved hjælp af et ultrahurtigt kamera og en nål, de var i stand til kontrollerbart at bryde en boble ved kanten af ​​skumflåden og observere kollektiv boblekollaps (CBC). De identificerede to forskellige måder, hvorpå brud på en boble ved kanten førte til en kaskade af brudbegivenheder omkring den, en formeringsform på grund af absorptionen af ​​filmen af ​​den knækkede boble i omgivende flydende film, og en "penetrerende" tilstand på grund af frigivelsen af ​​dråber fra brudhændelsen, der flyver væk og brækker andre bobler.

Da efterforskerne ændrede mængden af ​​vand i filmen, de identificerede flere nøgletendenser i, hvordan boblerne reagerer på et mikroskopisk niveau. For eksempel, de fandt ud af, at mere væske i skummet førte til frigivelsen af ​​langsommere dråber, som ikke er i stand til at trænge igennem omkringliggende film. Dette var korreleret med et drastisk fald i antallet af bobler, der kollapsede; CBC'er blev således afgørende understøttet af den gennemtrængende kollapsform. Dråbehastigheden blev bestemt af den hastighed, hvormed filmen trak sig tilbage; denne strømningshastighed viste sig at være proportional med filmens osmotiske tryk, dvs. det tryk, ved hvilket en væske, der bringes i kontakt med skummet, drives ind i filmnetværket. Holdet viste, at Navier-Stokes ligninger, nøglerelationer, der beskriver, hvordan væsker opfører sig over tid, kan bruges til at forklare disse tendenser.

Et centralt fund var, at ændring af væskens viskositet ikke førte til en signifikant ændring i antallet af brudte bobler. Metoder til at stabilisere skum er almindeligvis afhængige af ændring af viskositeten, alligevel viser holdets fund tydeligt, hvordan både antallet af bobler kollapsede og hastigheden af ​​den tilbagevendende film er upåvirket. Sammen med den dominerende rolle, som den penetrerende tilstand spiller, fremtidige strategier til at forhindre skumkollaps kan i stedet fokusere på at kombinere flere overfladeaktive stoffer for at gøre filmen mere modstandsdygtig over for dråbepåvirkning.

Undersøgelsen er blevet offentliggjort online i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .