Вчені пояснили, чому піна стікає швидше, ніж думали

Токійські вчені здійснили прорив у розумінні механізму дренажу пін, спростувавши десятиліття усталеної теорії та пояснивши чому рідина витікає з пін на значно меншій висоті, ніж передбачали традиційні моделі.

Дослідники з Токійського університету Метрополітен провели ґрунтовне вивчення процесу. Вони створили набір різноманітних пін з контрольованими параметрами. Піни містили бульбашки різних розмірів та різні фракції рідини. Результати експериментів поставили під сумнів класичну теорію.

Традиційно вважалося, що дренаж пін залежить від осмотичного тиску. Цей параметр пов’язаний із розміром бульбашок та поверхневим натягом. Рідина нібито просочується через статичну матрицю бульбашок.

Класичні моделі передбачали, що піна повинна досягти певної висоти перед тим, як рідина почне витікати. Однак реальні спостереження показували, що витікання починається значно раніше. Це розходження залишалося загадкою для науковців.

Експериментальний підхід та революційні відкриття

Команда на чолі з професором Рей Куріта розробила систематичні експерименти. Дослідники використовували різні поверхнево-активні речовини для створення пін. Вони розмістили піни між прозорими пластинами у вертикальному положенні.

Спостереження виявили несподівану закономірність у процесі дренажу. Висота, на якій починається витікання рідини, обернено пропорційна частці рідини в піні. Ця залежність залишалася незмінною незалежно від типу поверхнево-активної речовини.

Науковці ввели поняття “ефективного осмотичного тиску”. Цей параметр виявився значно нижчим, ніж передбачали класичні моделі. Це свідчило про наявність іншого фізичного механізму, що обмежує початок дренажу.

“Ми застосували відеомікроскопію з високою роздільною здатністю, щоб зафіксувати динамічні процеси всередині піни”, — пояснює професор Куріта. Відеозаписи продемонстрували неочікуване явище: витікання рідини супроводжується реорганізацією самих бульбашок.

Динамічна концепція проти статичної моделі

Ключове відкриття полягає в тому, що піни демонструють певну межу текучості. Це порогова напруга, нижче якої мікроструктура піни залишається статичною. Вище цього порогу бульбашки починають перегруповуватися.

Дренаж обмежується не максимальним осмотичним тиском, як вважалося раніше. Головний фактор — мінімальний тиск, необхідний для подолання межі текучості. Це докорінно змінює наше розуміння фізики пін.

Традиційна концепція описувала витікання як статичний процес. Рідина просто протікала через фіксовані шляхи між бульбашками. Нова модель представляє піну як динамічну структуру, де рухливість бульбашок критично впливає на транспортування рідини.

“Наше дослідження демонструє, як подолання кінетичних бар’єрів докорінно змінює способи моделювання м’яких матеріалів”, — зазначають науковці. Їхні висновки матимуть значний вплив на розуміння колоїдів, емульсій та гелів.

Практичне значення та перспективи

Це відкриття має важливе практичне значення для різних галузей. Виробники миючих засобів можуть оптимізувати стійкість пін до витікання. Фармацевтичні піни можуть отримати контрольований профіль дренажу для кращої доставки ліків.

Дослідження фінансувалося Японським товариством сприяння науці. Грант KAKENHI номер 20H01874 забезпечив необхідну підтримку для проведення експериментів. Результати відкривають нові шляхи для створення матеріалів з індивідуальними властивостями.

Елегантне поєднання експериментальної точності та теоретичного розуміння демонструє силу міждисциплінарного підходу. Науковці пов’язали динаміку розчину з кінематикою бульбашок — аспект, який раніше недооцінювався в дослідженнях пін.

Як піни продовжують відігравати ключову роль у споживчих товарах, енергетиці та біомедицині, ці фундаментальні відкриття стають все важливішими. Вони закладають основу для більш складних моделей сорбції, дренажу та механічної стабільності у складних рідинних системах.