Las cosas más simples pueden tener los aspectos más inusuales e incluso inexplorados. Desde temprana edad tratamos de comprender la naturaleza de todo lo que nos rodea. Cómo funciona la luz en el candelabro, por qué el cielo es azul, dónde llueve, por qué el limón es agrio y dulce como el azúcar: esta es solo una pequeña lista de preguntas que un niño curioso puede hacer en un período de tiempo muy corto. Al crecer, no estamos tan interesados en esas cosas, prestando atención a algo más importante, en nuestra opinión. Pero comprender la naturaleza de lo simple, a primera vista, las cosas pueden ser de gran beneficio.
Hoy nos familiarizaremos con un estudio muy inusual en el que los científicos trataron de comprender el mecanismo de destrucción de la espuma. ¿Alguna vez te has preguntado por qué la espuma de tu capuchino no es tan duradera como nos gustaría? Si le dijeron que simplemente no sabe cómo cocinarlo, ahora tendrá un argumento muy científico. ¿Qué secuencia de eventos conduce a la destrucción de la estructura de la espuma, cuál es el catalizador de este proceso y de qué sirve ese conocimiento? Encontraremos respuestas a estas y otras preguntas en el informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
No importa cuán simple pueda parecer la espuma a primera vista, sigue siendo un sistema complejo con una fase dispersa de gas y un medio de dispersión líquido / sólido. Si hablamos de la espuma más común, que consiste en burbujas de gas y películas líquidas, dicha estructura se considera un sistema de no equilibrio. La espuma también se puede llamar un sistema polidisperso debido al hecho de que las burbujas compuestas pueden ser de tamaños completamente diferentes. Además, la espuma es muy inestable y, por lo tanto, tiene un sistema de vida muy corta debido al hecho de que la densidad del líquido es cientos o incluso miles de veces mayor que la densidad del gas.
A pesar de esto, las espumas son bastante comunes en la vida humana y se usan en varios campos. Están presentes en la vida cotidiana (crema batida, espuma de afeitar, etc.), en biotecnología (espuma en biorreactores), en tecnología química (flotación de espuma) e incluso en farmacología. Si estudiamos el mecanismo detrás del proceso de destrucción de la espuma, entonces podemos hacerla más duradera, como dicen los propios investigadores.
En su trabajo, señalan tres procesos principales que regulan la dinámica de la espuma: ampliación, drenaje y destrucción. La ampliación es el proceso de reducir el número de burbujas, pero aumentar su tamaño, que es causado por diferentes presiones entre las burbujas. El drenaje es el proceso de adelgazamiento de las películas, es decir, las paredes de las burbujas, debido al flujo de agua bajo la influencia de la gravedad.
Estas dos etapas de la vida de la espuma ya se han estudiado bastante bien, como, en general, el proceso de destrucción. Estudios previos han demostrado que la destrucción de burbujas ocurre cuando se alcanza el límite inferior de
coalescencia * en la fracción de volumen de líquido.
Coalescencia * : la fusión de partículas dentro de un medio móvil (por ejemplo, burbujas en la espuma).
También se estableció una relación entre la destrucción de la burbuja y la
reorganización de T1 * al introducir aire adicional en el sistema.
El proceso T1 * o reordenamiento T1 * es el proceso de cambiar la forma de los materiales celulares (espuma, tejidos biológicos, etc.), que consiste en gotas, vesículas, células.
Al comienzo del proceso, hay 4 objetos (A, B, C y D). A y B están en contacto, C y D están ubicados a ambos lados de AB, es decir, no están en contacto entre sí. La ruptura de la conexión entre A y B con el posterior establecimiento de la comunicación entre C y D: este es el proceso T1.
En el momento de la destrucción de la burbuja, se podía escuchar un ligero "estallido" (liberación de gas). Al medir y analizar los datos acústicos en el momento de la destrucción de la espuma, los científicos llegaron a la conclusión de que este proceso ocurre debido al colapso colectivo de las burbujas (PCC), en otras palabras, el colapso en cascada.
Pero KKP es solo la punta del iceberg, y se desconoce el mecanismo en sí, que lo pone en acción. Así es como se entiende que la cadena de fichas de dominó se destruye, porque las fichas de dominó se caen unas sobre otras, pero no saben cuál fue la primera y que fue derribada (una alegoría aproximada pero comprensible).
En este trabajo, los científicos utilizaron espuma casi bidimensional como un "experimento", en cuyo borde estalla una burbuja. Los científicos observaron la cascada de destrucción de toda la espuma usando una cámara de alta velocidad, luego de lo cual analizaron los registros. Se han establecido dos mecanismos de propagación del colapso: propagación y penetración.
A medida que aumenta
φ (fracción de volumen), se hace cada vez más difícil que las gotas de líquido penetren en las películas líquidas, lo que hace que la gota rebote en las películas debido a su elasticidad o la absorción de las gotas por la película. Más sobre esto en los resultados de las observaciones.
Resultados de la investigación
El proceso de CCP (colapso de la burbuja colectiva) se observó a diferentes valores de
φ . Entonces, por ejemplo, la imagen
1a muestra el PCC desde el tiempo
t = 0 ms a 3.12 ms para
φ = 0.0099.
Imagen No. 1
Proceso CCP ( t = 0 ... 3.12 ms, φ = 0.0099).Se usó una aguja de vidrio capilar para perforar la burbuja. El colapso de las burbujas al comienzo del proceso de CCP se observa a lo largo de los bordes exteriores de la espuma, que los científicos decidieron llamar el efecto de superficie. Después de esto, dos procesos CCP comienzan dentro de la espuma misma, por así decirlo en su volumen total: propagación y penetración.
Cuando la película líquida se rasga, el canal de la meseta la absorbe rápidamente.
Según la ley de la meseta, los bordes de la burbuja en la espuma son canales llenos de un medio de dispersión. Solo tres películas ubicadas en ángulos de 120 ° pueden converger en un canal.
La estructura de la celda (burbuja) de la espuma.
Debido al fuerte efecto de absorción, la siguiente película líquida que converge en el mismo canal de Meseta también se rompe (círculo rojo en
1a ). Este proceso secuencial (en cascada) de destrucción de burbujas de espuma es uno de los procesos de CCP: propagación (
1b ).
Al mismo tiempo, se libera una gota de líquido (círculos azul y verde en
1a ) en el momento de la absorción de la película de ruptura por el canal de la meseta. Las gotas caen dentro de la espuma en la película eliminada por el líquido (flechas en
1a ). La velocidad de estas gotas (V
d ) fue de aproximadamente 3 m / s. Este proceso de CCP, llamado penetración, conduce a la destrucción de las películas eliminadas (
1b ).
El colapso completo ocurre durante la destrucción multifacética de las películas de burbujas a través de ambas variantes de CCP.
Si
φ se incrementa a ≥ 0.015, entonces la probabilidad de una gota de líquido en el momento de la destrucción de la película de burbujas se reduce considerablemente. Y la velocidad de las gotas que han surgido también se reduce, lo que hace que sea más difícil que las gotas penetren en las películas eliminadas. En lugar de penetración, una gota rebota.
Caída de rebote (en lugar de penetración) a φ ≥ 0.015.
Imagen No. 2La imagen de arriba muestra cómo una gota rebota en las películas dentro de los 30 ms (la línea punteada es la trayectoria de la caída).
Al medir la velocidad de la gota (V
d ) después de cada rebote, podemos graficar la dependencia de V
d en el número de golpes (n
i ).
Imagen 3: Velocidad versus el número de rebotes.Como se esperaba, la velocidad de la gota disminuye con el aumento del número de rebotes. En este caso, es posible determinar el coeficiente de recuperación de la película como
e = | V
d (i + 1) | / | V
d (i) |, donde | V
d (i) | - velocidad de gota después del i-ésimo rebote. Usando datos de observación, se encontró que
e = 0.50 ~ 0.74. Después del i-ésimo rebote, la película líquida absorbe la gota.
Con un aumento adicional en
φ (> 0.022), la película es absorbida con éxito por el canal de la meseta, pero no surgen gotas de líquido. Las burbujas a lo largo del borde de la espuma estallan por el efecto de la superficie incluso a valores más altos de
φ , pero el número de tales burbujas se reduce enormemente y el proceso de colapso se detiene rápidamente. En otras palabras, el proceso CCP no ocurre.
Luego, los científicos investigaron la dependencia del número de burbujas que explotan en el índice φ. El conjunto de burbujas que colapsan (N
total ) consiste en aquellas que explotan en el borde de la espuma debido al efecto de la superficie, y aquellas que colapsan debido a la penetración y propagación.
También en los cálculos, se usa el indicador N
interno : la cantidad de burbujas que colapsan en el volumen de espuma menos los bordes externos. La destrucción de las burbujas se contó desde la primera hasta la última burbuja, lo que tomó aproximadamente 0.04 segundos.
Imagen No. 4La imagen de arriba muestra N
total (rojo) y N
interior (azul) en relación con
φ . Los triángulos, círculos y cuadrados corresponden a N
total o N
interno a N
f ~ 200 para concentraciones de glicerol de 9.4%, 17.8% y 29%, respectivamente (N
f es el número total de burbujas en la espuma).
Como podemos ver en el gráfico, el valor de N
total y N
interno disminuye al aumentar
φ . Aplicando la
ley de potencia * , los científicos descubrieron que N
interior ∝
φ −γ e en γ
e = 2.3 ± 0.36.
La ley de potencia * es la dependencia funcional de dos cantidades cuando un cambio en una conduce a un cambio proporcional en la otra.
También se encontró que los indicadores N
total y N
interno no dependen de la concentración de glicerol, si está por debajo del 29%. Si la concentración aumenta al 40%, entonces se hace más difícil perforar la burbuja y no se produce el proceso de CCP.
El estudio del colapso de las burbujas en el caso de una espuma más grande (N
f ~ 500) mostró que su número no depende del número total de burbujas (diamantes en el gráfico anterior), es decir, N
total y N
interior son independientes de N
f .
Como recordamos, se utilizó una aguja de vidrio para pinchar. Estaba recubierto con grasa de silicona para mejorar la perforación. Los científicos han comprobado cómo esto afecta los valores de N
total y N
interno haciendo pinchazos sin lubricación. Por lo tanto, el proceso de PCC surgió espontáneamente. Sin embargo, como cabría esperar, el uso del lubricante no afectó el número de burbujas colapsadas y el proceso CCC en su conjunto.
Si
φ es pequeño, entonces la forma de cada burbuja es anisotrópica, y las burbujas distorsionadas forman una especie de cadena. Las burbujas de forma anisotrópica y / o de gran tamaño tienen un gran exceso de energía superficial, por lo tanto, se destruyen más fácilmente.
Ante esto, los científicos decidieron verificar la relación entre CCP y la forma de las burbujas. Para esto, el parámetro λ
i se utilizó como una característica de la anisotropía de la burbuja
i . λ
i está determinado por la siguiente fórmula:
donde
j es el píxel en el borde de la burbuja,
n es el número total de píxeles
j , r
j es la distancia entre el centro de la burbuja
i y el píxel
j ,
r es la distancia promedio r
j .
λ
i será igual a 0 si la burbuja
i es redonda. Si es anisotrópico, entonces λ
i > 0.
Imagen No. 5La imagen
5a muestra la espuma en
φ = 0.0086 antes del comienzo del proceso de CCP. Las burbujas se colorean de negro (λ
i más) a blanco (λ
i menos). Los puntos rojos indican que las burbujas colapsaron durante el PCCh.
Los científicos han descubierto que las burbujas de la izquierda se destruyen de manera uniforme. El gráfico
5b muestra la distribución de probabilidad en función del diámetro medio de la burbuja
i (d
i ) antes y después del PEC de todas las burbujas. El diámetro (d
i ) se calculó promediando la distancia entre el centro y la interfaz de la burbuja. Como podemos ver, la forma de la distribución de probabilidad en el gráfico después de CCP es la misma que antes de CCP.
En el gráfico
5c, la relación del diámetro después del CCP (d
a ) y el CCP (d
b ). Obviamente, d
a = d
b , es decir, el diámetro de las burbujas no cambió durante el colapso de la cascada.
El gráfico
5d muestra λ
i (característica de anisotropía de burbujas) antes y después del colapso. Este indicador tampoco cambió, a pesar del colapso en cascada (λ
a (antes de CKP) = λ
b (después de CKP);
5e ).
Todas estas observaciones indican que la forma de las burbujas no cambia debido a la destrucción en cascada de la espuma, y también que la forma no afecta este proceso.
El siguiente factor probable que afecta el proceso de destrucción de la espuma es el efecto mecánico de una película de burbujas desgarrada en sus vecinos. Para determinar el efecto de este factor, los científicos midieron la tasa de ruptura de la película a una concentración de glicerol del 17.8% usando la fórmula V =
l /
t , donde
l es la longitud de la película
yt es el tiempo requerido para absorber la película de principio a fin.
Imagen No. 6El gráfico
6a muestra la dependencia de V en
φ en forma de un gráfico logarítmico. Los cálculos muestran que V ~ 10 m / s a una concentración de glicerol del 17,8% (círculos en el gráfico). En el caso de una concentración de glicerol del 29%, la tasa prácticamente no cambió (cuadrados en el gráfico).
Con el aumento de
φ, la velocidad disminuye, debido a que las películas formadas durante la ruptura rebotan en otros canales y, como resultado, son absorbidas por ellos.
También se ha estudiado la relación entre velocidad y presión osmótica (
6b ).
La fórmula de presión para la espuma bidimensional es la siguiente:
donde
σ es la tensión superficial,
R es el radio promedio de la burbuja,
φ J es el punto de cuña de 0.16 en dos dimensiones.
En su trabajo, los científicos utilizaron los siguientes indicadores:
σ = 37 mN / my
R = 1.7 mm.
Si suponemos que el espesor de la capa de película es de 1 μm, entonces es visible una dependencia proporcional de V en on (
6b ). Por lo tanto, la fuerza impulsora de la absorción es la presión negativa en la película.
Finalmente, los científicos realizaron un análisis de la relación de N
interior y velocidad V (imagen a continuación).
Imagen No. 7Los científicos han descubierto que el índice N
interno aumenta significativamente con el aumento de la velocidad de flujo de la película. Por lo tanto, podemos concluir que el proceso de penetración es un elemento decisivo en el proceso de colapso general de la espuma.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el
informe de los científicos .
Epílogo
En este trabajo, los científicos pudieron descubrir que en el momento de la destrucción de la espuma, el papel principal es desempeñado por dos procesos: absorción y distribución. Además, los científicos descubrieron que un aumento en la proporción de líquido, la velocidad de las gotas que ocurren durante la destrucción de la película de burbujas disminuye. Por lo tanto, es más difícil destruir toda la espuma. En lugar de absorber una gota por otra película distante, se produce una caída múltiple de la gota, y solo entonces la absorción.
Los científicos tienen la intención de estudiar más a fondo la espuma para comprender sus fortalezas y debilidades. En su opinión, este trabajo mejorará la espuma, haciéndola más duradera y estable. Y tales ventajas pueden ser útiles tanto en la vida cotidiana como en los laboratorios involucrados en la producción y el estudio de diversas sustancias, materiales y otras cosas biológicas y químicas.
¿Quién hubiera pensado que en el siglo XXI, los científicos en realidad estudiarían espuma de cerveza, buscando formas de fortalecerla? Pero, no importa cuán extraño pueda sonar, cualquier conocimiento es importante, cualquier conocimiento es necesario. Comprender el mundo que nos rodea y todo lo que lo llena nos permite utilizar mejor lo que se inventó o descubrió hace mucho tiempo, o mejorarlo de acuerdo con las condiciones en constante cambio de nuestras vidas.
¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)
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