Mokslininkai atskleidžia putų nutekėjimo paslaptis
Tokyo Metropolitan University mokslininkai padarė reikšmingą atradimą, kuris keičia mūsų supratimą apie putas. Tradiciniai fizikos modeliai ilgą laiką pervertino putų aukštį, reikalingą skysčiui pradėti nutekėti. Pasirodo, kad pagrindinė priežastis nėra vien skysčio judėjimas per statinę struktūrą, o spaudimas, reikalingas burbulams persitvarkyti. Šis atradimas pabrėžia, koks svarbus yra dinamiškas procesas tiriant minkštąsias medžiagas.
Putų judėjimo dinamika
Bet kuris, kuris purškė putas ant paviršiaus, tikriausiai pastebėjo, kaip formuojasi ir varva lašai. Putas sudaro glaudžiai supakuoti burbulai, atskirti plonais skysčio sluoksniais, sudarantys sudėtingą takų tinklą. Skystis gali judėti šiais takais, arba ištekėti, arba būti absorbuotas putose, kai su jomis susiliečia. Iki šiol mokslininkai manė, kad šį procesą kontroliuoja „absorbcijos limitas“, priklausantis nuo „osmotinio spaudimo“ – energijos pokyčio, kai burbulai suspaudžiami ir skysčio bei dujų sąlyčio plotas keičiasi.
Kodėl senieji modeliai neatitiko realybės?
Tačiau šis paaiškinimas neatitiko to, ką mokslininkai matė realybėje. Skaičiavimai, pagrįsti osmotiniu spaudimu, rodė, kad putos turėtų būti maždaug metro aukščio, kol pradės nutekėti skystis. Praktiškai net keliasdešimt centimetrų aukščio putos gali lengvai nutekėti. Šis skirtumas tarp teorijos ir realybės mokslininkus glumino daugelį metų. Kadangi putos plačiai naudojamos produktuose nuo valiklių iki farmacijos, supratimas, kaip jos elgiasi, yra esminis jų veikimui gerinti, pavyzdžiui, kuriant putas, atsparias nutekėjimui.
Eksperimentai atskleidžia universalią schemą
Profesorės Rei Kurita vadovaujama tyrimų komanda studijavo paprastų putų sistemas, kurias sudarė skirtingi paviršiaus aktyviosios medžiagos, kad būtų sukurta įvairių tipų putos. Jie šias putas išdėstė tarp skaidrių plokščių ir pastatė vertikaliai, kad tiesiogiai stebėtų, kaip skystis juda viduje. Eksperimentai atskleidė nuoseklią schemą: aukštis, kuriame prasideda nutekėjimas, yra atvirkščiai proporcingas putų skysčio kiekiui, nepriklausomai nuo paviršiaus aktyviosios medžiagos tipo ar burbulų dydžio. Jie taip pat apskaičiavo „efektyvų osmotinį spaudimą“ šiam procesui, kuris buvo žymiai mažesnis nei prognozės, pagrįstos vien burbulų dydžiu ir paviršiaus įtempimu.
Burbulų judėjimas varo putų nutekėjimą
Norėdami geriau suprasti, kas vyko, mokslininkai įrašė vaizdo įrašus putose. Taške, kur prasideda nutekėjimas, jie matė, kad skystis ne tik tekėjo statiniais kanalais. Vietoj to, jis sukėlė burbulų judėjimą ir persitvarkymą. Tai leido jiems identifikuoti „tekančio įtempimo“ svarbą, kuris yra spaudimas, reikalingas burbulams judėti ir reorganizuotis. Jų modelis, pagrįstas šia idėja, tiksliai prognozavo putų aukščius, kuriuose atsiranda nutekėjimas.
Naujas požiūris į minkštas medžiagas
Šie atradimai keičia mokslininkų požiūrį į putų nutekėjimą. Vietoj to, kad putos būtų laikomos statine struktūra, per kurią teka skystis, jos turėtų būti laikomos dinaminiu sistema, kurioje pati struktūra gali keistis. Mokslininkai tikisi, kad ši nauja perspektyva suteiks gilesnių įžvalgų apie minkštas medžiagas ir padės kurti geresnius putų pagrindu pagamintus produktus.
Šis darbas buvo paremtas JSPS KAKENHI grantu Nr. 20H01874.
