طوكيو ، اليابان - كشف باحثون من جامعة طوكيو متروبوليتان عن كيفية انهيار الرغاوي السائلة من خلال مراقبة "أحداث" الانهيار الفردي باستخدام الفحص المجهري عالي السرعة بالفيديو. ووجدوا أن الشقوق في الأفلام أدت إلى انحسار واجهة السائل التي تكتسح حدود الفيلم الأصلي ، وتعكس شكله ، وتطلق قطيرة تضرب وتكسر الأفلام الأخرى. توفر ملاحظاتهم ونموذجهم المادي رؤى أساسية حول كيفية جعل الرغوة أكثر أو أقل مقاومة للانهيار.

فهم كيفية انهيار الرغوة هو عمل جاد. سواء أكان ذلك يضمن بقاء رغاوي إطفاء الحريق لفترة كافية لإخماد النيران ، أو تنظيف الرغاوي السامة في البحار والأنهار ، أو مجرد الحصول على الارتفاع المثالي في الكعكة ، فإن التعامل مع كيفية انهيار المواد الرغوية أمر حيوي لتخصيص خصائصها ، على حد سواء احتفظ بالرغوة لفترة أطول أو ساعدها على الاختفاء بشكل أسرع.

لهذا السبب قام فريق بقيادة البروفيسور ري كوريتا من جامعة طوكيو متروبوليتان بإجراء تجارب مجهرية بالفيديو عالية السرعة على الرغاوي السائلة. من خلال توليد الرغوات المحصورة بين لوحين رفيعين وشفافين ، يكون لديهم وصول مباشر إلى مجموعة كاملة من الظواهر المعقدة التي تحدث عندما تبدأ في الانهيار. في عمل سابق ، أظهروا أن الطريقة الرئيسية التي تنهار فيها الرغاوي هي عن طريق توليد قطرات عندما تتمزق الأغشية الفردية. تطير هذه القطرات بسرعات عالية وتكسر الأغشية الأخرى المحيطة ، مما يؤدي إلى سلسلة من الكسور التي تتسبب في تكسير الرغوة. ومع ذلك ، لم يُعرف بعد كيف تشكلت القطيرات بالضبط. الأهم من ذلك ، لم يكن من الواضح متى تكونت القطرات ومتى لم تتشكل.

الآن ، بدأ الفريق في كشف الآلية المعقدة وراء كيفية صنع هذه القطرات. عندما يتشكل الكراك الأولي في الفيلم ، يتراجع الفيلم ويترك خطًا متذبذبًا من السائل حيث كانت حدود الفيلم الأصلية ، تسمى حدود الهضبة الرأسية المُصدرة (RVPB). بينما يتأرجح ، يوجد تراكم للسائل في وسط RVPB. عندما يتم إنشاء صدع آخر في الفيلم المتبقي ، يتم إنشاء خط متراجع من السائل الذي يكتسح RVPB (انظر الشكل). ومن المثير للاهتمام أن مقاطع الفيديو أظهرت أن هذه الجبهة تميل إلى الانعكاس في الشكل أثناء تحركها. وجد الفريق أن هذا يرجع إلى حد كبير إلى تأثير القصور الذاتي ، حيث يتحرك الجزء المركزي الأثقل بشكل أقل تحت قوة ثابتة. الأهم من ذلك ، أن هذا الانعكاس هو الذي يتسبب في النهاية في إطلاق قطيرة ، مما يؤدي إلى سلسلة من أحداث تكسر الفيلم. يتناقض عملهم مع التحقيقات السابقة التي نظرت إلى الأفلام الفردية الدائمة ؛ يكون تراكم السائل في منتصف RVPBs ممكنًا فقط داخل الرغوات ، حيث يمكن توفير السائل عن طريق الأغشية المحيطة والحدود. تم عرض النموذج المادي الذي طوروه لوصف الديناميكيات لإعطاء تنبؤات موثوقة للسرعة الأمامية والمقاييس الزمنية ذات الصلة.

أخيرًا ، استبدل الفريق الكواشف المخبرية بمنظف منزلي وكرر التجربة ، مما أدى إلى تكوين رغوة طويلة الأمد. عندما تنفجر فقاعة على الجانب ، وجدوا تراكمًا مشابهًا للسائل في مركز RVPBs ، على الرغم من أنه أقل بكثير من ذي قبل. كما أن المرونة المعززة للفيلم تعني أنه من غير المحتمل للغاية أن يتشكل شقان في نفس الفيلم ؛ وهذا يعني عدم تكوين قطيرات ، أي عدم وجود انهيار جماعي للفقاعة: في ضوء الآلية الموجودة أعلاه ، يوضح هذا بشكل قاطع أن كلاً من النقل الأقل داخل RVPBs وعدد أقل من الشقوق ساهم بشكل مباشر في استقرار الرغوة. تعتبر مثل هذه الرؤى حيوية لتوجيه تصميم المواد الرغوية الجديدة ذات الخصائص المحسنة ؛ يأمل الفريق أن يكون عملهم مصدر إلهام لأحدث مواد العزل والمنظفات والمنتجات الغذائية ومستحضرات التجميل.

# # #

تم دعم هذا العمل من خلال زمالة أبحاث JSPS للعلماء الشباب (20J11840) ، و JSPS KAKENHI Grants-in-Aid للبحث العلمي (17H02945 ، 20H01874 ، 20K14431).