Skumbruser

Kemiske ingeniører ved University of Illinois Chicago og UCLA har besvaret mangeårige spørgsmål om de underliggende processer, der bestemmer livscyklussen for flydende skum. Gennembruddet kan bidrage til at forbedre den kommercielle produktion og anvendelse af skum i en bred vifte af industrier.

Resultaterne af forskningen blev præsenteret denne måned i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Skum er et velkendt fænomen i hverdagen - at blande sæber og rengøringsmidler i vand, når du laver opvask, blæser bobler ud af sæbevandslegetøj, nipper skummet af en kop latte eller milkshake. Flydende skum kan forekomme i en række naturlige og kunstige omgivelser. Mens nogle skum produceres naturligt, som i vandmasser, der skaber store havopblomstringer på strandene, andre opstår i industrielle processer. Ved olieudvinding og gæring, for eksempel, skum er et biprodukt.

Når sæbevand røres, skum dannes. De er for det meste gaslommer adskilt af tynde flydende film, der ofte indeholder bittesmå molekylære aggregater kaldet miceller. Fedtet snavs, for eksempel, skylles væk ved at gemme sig i micellers vandfobiske kerner. Ud over, fedtfordøjelse i vores kroppe afhænger af rollen som miceller dannet af galdesalte.

Over tid, skum forsvinder, når væsken i de tynde film presses ud. Sæbe- og detergentmolekyler, der i sagens natur er amfifile (hydrofile og hydrofobe) aggregerer i vand og danner sfæriske miceller, hvor deres udadvendte hoveder er hydrofile og vandfobiske haler danner kernen.

"Miceller er små, men indflydelsesrig, ikke kun til at rense og solubilisere olie-elskende molekyler, men også til at påvirke flows i skumfilm, " sagde co-principal investigator Vivek Sharma, en lektor i kemiteknik ved UIC College of Engineering. I næsten et årti, han har forfulgt spørgsmålet om, hvordan og hvorfor tilstedeværelsen af ​​miceller fører til trinvis udtynding, eller lagdeling, inden for ultratynde skumfilm og sæbebobler.

For at løse gåden, Sharma og hans samarbejdspartnere udviklede avancerede billeddannelsesmetoder, de kalder IDIOM (interferometry digital imaging optical microscopy) protokoller, der er implementeret med højhastigheds- og digitale single-lens reflex (DLSR) kameraer. De fandt ud af, at skumfilm har en rig, stadigt skiftende topografi, og tykkelsesforskellene mellem forskellige lag er meget større end størrelsen af ​​miceller.

"Vi brugte en præcisionsteknik kaldet småvinklet røntgenspredning til at opløse micellernes form, størrelser, og tætheder, " sagde co-principal investigator Samanvaya Srivastava, en assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved UCLA Samueli School of Engineering. "Vi fandt ud af, at skumfilmtykkelsen falder i diskrete hop, med hvert hop svarende til den nøjagtige afstand mellem micellerne i væskefilmen."

Holdet opdagede også, at arrangementet af miceller i skumfilm primært er styret af de ioniske interaktioner mellem miceller. Den elektrostatiske tiltrækning og frastødning mellem ioner påvirker, hvor længe skum forbliver stabilt, og hvordan deres struktur henfalder. Med disse resultater, forskerne fastslog, at ved blot at måle skumfilmtykkelsen, som kan opnås med et DSLR-kamera ved hjælp af IDIOM-protokollerne, de kunne karakterisere både micellernes vekselvirkninger i nanoskala i væsker og stabiliteten af ​​skum.

Sammenlignet med tidligere teknikker, der er mere tidskrævende og kræver dyre, skræddersyet udstyr, den nye metode er ikke kun billigere, men er også mere omfattende og effektiv.

"Viden og forståelsen kan hjælpe med udviklingen af ​​nye produkter - fra fødevarer og personlig pleje til lægemidler, " sagde undersøgelsens co-lead forfattere, kandidatstuderende Shang Gao fra UCLA Samueli og Chrystian Ochoa fra UIC. "Det kunne også hjælpe ingeniører med at forbedre kontrollen af ​​skum i industrielle processer."