Открытие в производстве пены изменит обыденные товары

Ключевую роль в дренаже пены играет не осмотическое давление, а способность пузырьков к перестройке. Объясняем новую физическую модель, разработанную учеными для точного предсказания момента начала стекания жидкости.

Пены долгое время ставили ученых в тупик, поскольку жидкость из них вытекает гораздо быстрее, чем предсказывает теория.

Источник: Freepik

Ученые из Токийского столичного университета объяснили, почему жидкость начинает вытекать из пены при гораздо меньшей высоте, чем предсказывали классические физические модели. Оказалось, что ключевую роль играет не только движение жидкости по каналам между пузырьками, но и давление, необходимое для их перестройки. Это открытие меняет подход к изучению мягких материалов и может привести к созданию более эффективных пен, пишет ScienceDaily.

Ранее считалось, что дренаж пены определяется «пределом поглощения», который зависит от осмотического давления — энергии, связанной с изменением площади контакта между жидкостью и газом. Согласно традиционным расчетам, пена должна достигать высоты около метра, прежде чем жидкость начнет стекать. Однако на практике даже пена высотой в несколько десятков сантиметров легко протекает. Этот разрыв между теорией и экспериментом долгое время оставался загадкой для ученых.

Пределы поглощения пены определяются кинематической связью между раствором и пузырьками.

Источник: Journal of Colloid and Interface Science

Команда под руководством профессора Рей Куриты провела серию экспериментов с пенами, созданными с использованием разных поверхностно-активных веществ. Ученые помещали пену между прозрачными пластинами и наблюдали за движением жидкости. Выяснилось, что высота, при которой начинается дренаж, обратно пропорциональна содержанию жидкости в пене и не зависит от типа вещества или размера пузырьков.

Ключевое открытие было сделано при видеосъемке процесса: оказалось, что в момент начала оттока жидкости пузырьки не остаются на месте, а начинают смещаться и перестраиваться под ее давлением. Именно «предел текучести» — давление, необходимое для перемещения пузырьков, — определяет момент начала дренажа. Новая модель, основанная на этом принципе, точно описывает наблюдаемые явления.

Результаты исследования показывают, что пену следует рассматривать не как статичную структуру, а как динамическую систему, способную к перестройке. Такой подход позволит лучше понять поведение мягких материалов и разработать новые технологии для производства пен с заданными свойствами — например, для моющих средств, косметики и фармацевтики.

Ранее ученые объяснили, можно ли использовать молнию в качестве оружия.