Επιστήμονες έλυσαν το μυστήριο πίσω από τους αφρούς – Η ανακάλυψη που ανατρέπει τα δεδομένα για όσα «κρύβουν»
Νέες έρευνες δείχνουν ότι η αποστράγγιση αφρού ελέγχεται από την αναδιάταξη των φυσαλίδων και όχι από τα παραδοσιακά μοντέλα επιφανειακής τάσης.
Ερευνητές στο Μητροπολιτικό Πανεπιστήμιο του Τόκιο ανακάλυψαν τη λύση σε ένα ερώτημα που υπήρχε εδώ και καιρό σχετικά με το πώς διαφεύγει το υγρό από τους αφρούς. Τα παραδοσιακά μοντέλα φυσικής προβλέπουν ότι οι αφροί πρέπει να είναι πολύ ψηλότεροι προτού μπορέσει να αποστραγγιστεί οποιοδήποτε υγρό από τον πυθμένα, αλλά η συμπεριφορά στον πραγματικό κόσμο έρχεται σε αντίθεση με αυτές τις εκτιμήσεις.
Εξετάζοντας προσεκτικά το πώς συμπεριφέρονται οι αφροί, η ομάδα ανακάλυψε ότι η αποστράγγιση αρχίζει όταν η πίεση είναι αρκετά υψηλή ώστε να αναγκάσει τις φυσαλίδες να αλλάξουν θέση, αντί απλώς να σπρώξουν το υγρό μέσα από ένα σταθερό δίκτυο. Τα ευρήματά τους δείχνουν ότι η κίνηση των φυσαλίδων παίζει βασικό ρόλο στην κατανόηση του πώς λειτουργούν τα μαλακά υλικά.
Απλοί αφροί για την παρατήρηση της αποστράγγισης και της δομής των φυσαλίδων. Οι αφροί είναι τοποθετημένοι ανάμεσα σε διαφανείς πλάκες πριν τοποθετηθούν κάθετα, ώστε να επιτραπεί η απεικόνιση κατά τη διάρκεια της αποστράγγισης. Φωτογραφία: Tokyo Metropolitan University
Όταν ο αφρός ψεκάζεται σε μια επιφάνεια, συχνά εμφανίζονται σταγονίδια κάτω από αυτόν. Αυτό συμβαίνει επειδή οι αφροί αποτελούνται από σφιχτά πακεταρισμένες φυσαλίδες που χωρίζονται από λεπτές υγρές μεμβράνες, δημιουργώντας ένα πολύπλοκο δίκτυο καναλιών.
Το υγρό μπορεί να ρέει μέσα από αυτά τα περάσματα, επιτρέποντάς του είτε να φύγει από τον αφρό είτε να τραβήξει επιπλέον υγρό, όταν νέος υγρός όγκος αγγίξει την επιφάνεια. Το σημείο όπου συμβαίνει αυτό, γνωστό ως «όριο απορρόφησης», παραδοσιακά συνδέεται με την «ωσμωτική πίεση», η οποία περιγράφει την αλλαγή ενέργειας που συμβαίνει όταν οι φυσαλίδες συμπιέζονται και οι περιοχές επαφής υγρού-αερίου μετατοπίζονται.
Τα σημεία αποστράγγισης για διαφορετικές επιφανειοδραστικές ουσίες ακολουθούν έναν καθολικό νόμο. Το σημείο στο οποίο οι αφροί αρχίζουν να αποστραγγίζονται φαίνεται να είναι αντιστρόφως ανάλογο με το κλάσμα του υγρού. Φωτογραφία: Tokyo Metropolitan University
Ή έτσι θεωρούσαν οι επιστήμονες μέχρι τώρα. Για πολλά χρόνια, οι επιστήμονες δυσκολεύονταν με υπολογισμούς που προβλέπουν πόσο ψηλός πρέπει να είναι ένας αφρός για να φτάσει αυτό το όριο. Οι εκτιμήσεις που βασίζονται στην ωσμωτική πίεση, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος των φυσαλίδων και την επιφανειακή τάση, υποδηλώνουν ότι ένας αφρός θα έπρεπε να φτάσει περίπου το ένα μέτρο σε ύψος πριν αρχίσει η αποστράγγιση.
Ωστόσο, στην πράξη, ακόμη και αφροί ύψους μόνο μερικών δεκάδων εκατοστών μπορούν να χάσουν υγρό με ευκολία. Οι αφροί παίζουν σημαντικό ρόλο σε καθημερινά προϊόντα, από καθαριστικά οικιακής χρήσης μέχρι φαρμακευτικά σκευάσματα. Για να αναπτυχθούν υλικά προσαρμοσμένα σε συγκεκριμένους σκοπούς, όπως αφροί που συγκρατούν υγρό πιο αποτελεσματικά, είναι απαραίτητο να κατανοηθούν οι υποκείμενες φυσικές διεργασίες που διέπουν τη συμπεριφορά τους.
Αλλαγές στη δομή του αφρού κατά τη διάρκεια αφρών που δεν αποστραγγίζονται (πάνω σειρά) και αφρών που αποστραγγίζονται (κάτω σειρά). Πριν (αριστερά) και μετά (μέση) την έναρξη της αποστράγγισης, και μια ανακατασκευασμένη σύγκριση (δεξιά). Όταν αρχίζει η αποστράγγιση, οι φυσαλίδες αρχίζουν να αναδιατάσσονται. Φωτογραφία: Tokyo Metropolitan University
Μια ομάδα με επικεφαλής τον Καθηγητή Rei Kurita του Μητροπολιτικού Πανεπιστημίου του Τόκιο μελετά την αποστράγγιση σε απλούς αφρούς. Η ομάδα χρησιμοποίησε διάφορες επιφανειοδραστικές ουσίες για να δημιουργήσει μια βιβλιοθήκη διαφορετικών αφρών με διαφορετικές ιδιότητες, τους τοποθέτησε ανάμεσα σε διαφανείς πλάκες και τους έστησε κάθετα, ώστε να παρατηρήσει τι συμβαίνει στο εσωτερικό τους κατά την αποστράγγιση, αν και όταν αυτό συμβαίνει.
Πρώτον, ανακάλυψαν μια καθολική συμπεριφορά όπου το ύψος στο οποίο ξεκινά η αποστράγγιση είναι αντιστρόφως ανάλογο με το κλάσμα του υγρού στον αφρό, ανεξάρτητα από τον τύπο της επιφανειοδραστικής ουσίας ή το μέγεθος της φυσαλίδας. Η ανάλυσή τους για το όριο αποδίδει μια «αποτελεσματική ωσμωτική πίεση» στην οποία το όριο απορρόφησης επιτυγχάνεται και είναι σημαντικά χαμηλότερο από αυτό που αναμένεται με βάση τα μεγέθη των φυσαλίδων και την επιφανειακή τάση.
Επιστρέφοντας στα αρχικά σχέδια, η ομάδα κοίταξε απευθείας μέσα στον αφρό με μια βιντεοκάμερα. Για τους αφρούς που μόλις είχαν φτάσει στο σημείο αποστράγγισης, ανακάλυψαν ότι το υγρό δεν πίεζε απλώς μέσα από τον λαβύρινθο των συνδέσεων, αλλά προκαλούσε την αναδιάταξη των ίδιων των φυσαλίδων.
Διαπίστωσαν ότι το όριο όπου συμβαίνει η αποστράγγιση δεν καθορίζεται από την επιφανειακή τάση, αλλά από την «τάση διαρροής» (yield stress), την ποσότητα πίεσης που απαιτείται για την αναδιάταξη των φυσαλίδων. Είναι σημαντικό ότι αυτό το μοντέλο δίνει ύψη για τους αφρούς που αποστραγγίζονται τα οποία συμφωνούν με την πραγματικότητα.
Αυτό το αποτέλεσμα ανατρέπει τη θεμελιώδη εικόνα του τρόπου με τον οποίο βλέπουμε την αποστράγγιση του αφρού, από μια στατική εικόνα υγρού που κινείται μέσα από κενά, σε μια δυναμική όπου τα ίδια τα κενά μπορούν να κινηθούν. Η ομάδα ελπίζει ότι τα ευρήματά της θα εμπνεύσουν νέες ιδέες για τη συμπεριφορά των μαλακών υλικών, καθώς και προσεγγίσεις για τον σχεδιασμό καλύτερων προϊόντων αφρού.