Zephyrnet-logo

Wanneer schuim instort (en wanneer dat niet het geval is)

Datum:

High-speed videomicroscopie onthult de complexe mechanica van het instorten van schuim

BEELD

Krediet: Tokyo Metropolitan University

Tokyo, Japan - Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben onthuld hoe vloeibaar schuim instort door individuele ineenstortingsgebeurtenissen te observeren met videomicroscopie met hoge snelheid. Ze ontdekten dat scheuren in films leidden tot een terugwijkend vloeistoffront dat de originele filmrand omhoog veegt, de vorm ervan omkeert en een druppel afgeeft die andere films raakt en breekt. Hun observaties en fysisch model bieden belangrijke inzichten in hoe men schuim min of meer bestand kan maken tegen instorten.

Begrijpen hoe schuim instort, is een serieuze zaak. Of het nu gaat om ervoor te zorgen dat brandblusschuim lang genoeg blijft om vlammen te doven, om giftige schuimen in zeeën en rivieren op te ruimen, of om gewoon de perfecte rijzen op een taart te krijgen, het is essentieel om te begrijpen hoe schuimmaterialen instorten, essentieel om hun eigenschappen aan te passen, zowel om houd schuimen langer in stand of help ze sneller te laten verdwijnen.

Daarom heeft een team onder leiding van prof.Rei Kurita van de Tokyo Metropolitan University hogesnelheidsvideomicroscopie-experimenten uitgevoerd op vloeibare schuimen. Door schuimen te genereren die tussen twee dunne, transparante platen zijn ingeklemd, hebben ze directe toegang tot het hele scala aan complexe verschijnselen die optreden wanneer ze beginnen in te storten. In eerder werk toonden ze aan dat een belangrijke manier waarop schuimen instorten, is via het genereren van druppeltjes wanneer individuele films scheuren. Deze druppels vliegen met hoge snelheden weg en breken andere omringende films, wat leidt tot een cascade van breuken waardoor het schuim wordt afgebroken. Hoe de druppeltjes precies werden gevormd, was echter nog niet bekend. Belangrijk is dat het niet duidelijk was wanneer er druppeltjes werden gevormd en wanneer dat niet het geval was.

Nu is het team begonnen met het ontrafelen van het complexe mechanisme achter hoe deze druppels worden gemaakt. Wanneer zich een eerste scheur in een film vormt, trekt de film zich terug en laat een wiebelende vloeistoflijn achter op de plaats van de originele filmrand, genaamd de Released Vertical Plateau Border (RVPB). Terwijl het wiebelt, is er een ophoping van vloeistof in het midden van de RVPB. Wanneer er nog een scheur ontstaat in de resterende film, ontstaat er een teruglopende vloeistoflijn die de RVPB omhoog veegt (zie figuur). Interessant genoeg lieten video's zien dat dit front de neiging heeft om tijdens het reizen in vorm om te keren. Het team ontdekte dat dit grotendeels te wijten is aan een traagheidseffect, aangezien het zwaardere centrale deel minder beweegt onder een constante kracht. Belangrijk is dat het deze omkering is die er uiteindelijk voor zorgt dat een druppel vrijkomt, waardoor een cascade van filmbreukgebeurtenissen wordt geïnitieerd. Hun werk staat in contrast met eerdere onderzoeken naar staande individuele films; De ophoping van vloeistof in het midden van RVPB's is alleen mogelijk in schuimen, waar vloeistof kan worden aangevoerd door omringende films en randen. Het fysieke model dat ze ontwikkelden om de dynamiek te beschrijven, bleek betrouwbare voorspellingen te geven van de frontsnelheid en relevante tijdschalen.

Ten slotte verving het team laboratoriumreagentia door een huishoudelijk schoonmaakmiddel en herhaalde het experiment, waardoor een veel duurzamer schuim ontstond. Wanneer een luchtbel aan de zijkant barst, vonden ze een vergelijkbare ophoping van vloeistof in het midden van RVPB's, hoewel aanzienlijk minder dan voorheen. De verbeterde elasticiteit van de film betekende ook dat het uiterst onwaarschijnlijk was dat zich twee scheuren zouden vormen in dezelfde film; dat betekende dat er geen druppeltjes werden gevormd, dwz geen collectief instorten van bellen: in het licht van het hierboven gevonden mechanisme toont dit onomstotelijk aan dat zowel minder transport binnen RVPB's als minder scheuren direct bijdroegen aan de schuimstabiliteit. Dit soort inzichten is essentieel voor het ontwerp van nieuwe schuimmaterialen met verbeterde eigenschappen; Het team hoopt dat hun werk een inspiratie zal zijn voor de modernste isolatiematerialen, wasmiddelen, voedingsproducten en cosmetica.

###

Dit werk werd ondersteund door een JSPS Research Fellowship for Young Scientists (20J11840), en JSPS KAKENHI Grants-in-Aid for Scientific Research (17H02945, 20H01874, 20K14431).

Medienkontakt
Ga naar Totsukawa
totsukawa-go@jmj.tmu.ac.jp

Originele Bron

https: //doei.org /10.1039 /D0SM02153A

Gerelateerd tijdschriftartikel

http://dx.doei.org /10.1039 /D0SM02153A

Bron: https://bioengineer.org/when-foams-collapse-and-when-they-dont/

spot_img

Laatste intelligentie

spot_img