Die einfachsten Dinge können die ungewöhnlichsten und sogar unerforschten Aspekte haben. Schon in jungen Jahren versuchen wir, die Natur von allem, was uns umgibt, zu verstehen. Wie das Licht im Kronleuchter funktioniert, warum der Himmel blau ist, wo es regnet, warum die Zitrone sauer und zuckersüß ist - dies ist nur eine kleine Liste von Fragen, die ein neugieriges Kind in sehr kurzer Zeit stellen kann. Aufgewachsen sind wir nicht so sehr an solchen Dingen interessiert und achten unserer Meinung nach auf etwas Wichtigeres. Aber das Verständnis der Natur einfacher Dinge kann auf den ersten Blick von großem Nutzen sein.
Heute werden wir eine sehr ungewöhnliche Studie kennenlernen, in der Wissenschaftler versuchten, den Mechanismus der Schaumzerstörung zu verstehen. Haben Sie sich jemals gefragt, warum der Schaum in Ihrem Cappuccino nicht so haltbar ist, wie wir es gerne hätten? Wenn Ihnen gesagt wurde, dass Sie einfach nicht wissen, wie man es kocht, haben Sie jetzt ein sehr wissenschaftliches Gegenargument. Welche Abfolge von Ereignissen führt zur Zerstörung der Schaumstruktur, was ist der Katalysator für diesen Prozess und wozu wird dieses Wissen genutzt? Antworten auf diese und andere Fragen finden wir im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.
Studienbasis
Egal wie einfach der Schaum auf den ersten Blick erscheint, er bleibt dennoch ein komplexes System mit einer gasdispergierten Phase und einem flüssigen / festen Dispersionsmedium. Wenn wir über den häufigsten Schaum sprechen, der aus Gasblasen und Flüssigkeitsfilmen besteht, dann wird eine solche Struktur als Nichtgleichgewichts-System angesehen. Schaum kann auch als polydisperses System bezeichnet werden, da die Verbundblasen völlig unterschiedliche Größen haben können. Darüber hinaus ist der Schaum ein sehr instabiles und daher sehr kurzlebiges System, da die Dichte der Flüssigkeit hundert- oder sogar tausendfach höher ist als die Dichte des Gases.
Trotzdem sind Schäume im menschlichen Leben weit verbreitet und werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Sie sind im Alltag (Schlagsahne, Rasierschaum usw.), in der Biotechnologie (Schaum in Bioreaktoren), in der chemischen Technologie (Schaumflotation) und sogar in der Pharmakologie vorhanden. Wenn wir den Mechanismus hinter dem Prozess der Zerstörung des Schaums untersuchen, können wir ihn haltbarer machen, wie die Forscher selbst sagen.
In ihrer Arbeit weisen sie auf drei Hauptprozesse hin, die die Dynamik des Schaums regulieren: Vergrößerung, Entwässerung und Zerstörung. Bei der Vergrößerung wird die Anzahl der Blasen verringert, aber ihre Größe erhöht, was durch unterschiedliche Drücke zwischen den Blasen verursacht wird. Beim Ablassen werden die Filme, dh die Wände der Blasen, aufgrund des Wasserflusses unter dem Einfluss der Schwerkraft verdünnt.
Diese beiden Phasen der Schaumlebensdauer wurden bereits recht gut untersucht, ebenso wie im Allgemeinen der Zerstörungsprozess. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zerstörung von Blasen auftritt, wenn die untere Grenze der
Koaleszenz * im Volumenanteil der Flüssigkeit erreicht ist.
Koaleszenz * - die Verschmelzung von Partikeln in einem mobilen Medium (z. B. Blasen im Schaum).
Es wurde auch eine Beziehung zwischen der Zerstörung der Blase und der
Umlagerung von T1 * durch Einbringen zusätzlicher Luft in das System hergestellt.
Der T1 * -Prozess oder die T1 * -Umlagerung ist der Prozess der Änderung der Form von Zellmaterialien (Schaum, biologisches Gewebe usw.), die aus Tropfen, Blasen und Zellen bestehen.
Zu Beginn des Prozesses befinden sich 4 Objekte (A, B, C und D). A und B stehen in Kontakt, C und D befinden sich auf beiden Seiten von AB, dh sie stehen nicht in Kontakt miteinander. Das Unterbrechen der Verbindung zwischen A und B mit dem anschließenden Aufbau der Kommunikation zwischen C und D - dies ist der Prozess T1.
Im Moment der Zerstörung der Blase konnte man ein leichtes "Knallen" (Gasfreisetzung) hören. Durch Messung und Analyse der akustischen Daten zum Zeitpunkt der Zerstörung des Schaums gelangten die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass dieser Prozess auf einen kollektiven Blasenkollaps (CCP), dh einen Kaskadenkollaps, zurückzuführen ist.
Aber KKP ist nur die Spitze des Eisbergs, und der Mechanismus selbst, der ihn in Aktion setzt, ist unbekannt. So versteht man, dass die Dominokette zerstört wird, weil die Dominosteine aufeinander fallen, aber nicht wissen, welches das erste war und dass es umgeworfen wurde (eine raue, aber verständliche Allegorie).
In dieser Arbeit verwendeten die Wissenschaftler quasi zweidimensionalen Schaum als „Experiment“, an dessen Rand 1 Blase platzt. Die Wissenschaftler beobachteten die Kaskade der Zerstörung des gesamten Schaums mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und analysierten anschließend die Aufzeichnungen. Es wurden zwei Mechanismen der Kollapsausbreitung etabliert: Ausbreitung und Penetration.
Mit zunehmendem
φ (Volumenanteil) wird es für Flüssigkeitströpfchen immer schwieriger, in Flüssigkeitsfilme einzudringen, wodurch der Tropfen aufgrund seiner Elastizität oder der Absorption von Tröpfchen durch den Film von den Filmen abprallt. Mehr dazu in den Ergebnissen der Beobachtungen.
Forschungsergebnisse
Der Prozess der CCP (kollektiver Blasenkollaps) wurde bei verschiedenen Werten von
φ beobachtet . So zeigt beispielsweise Bild
1a die CCP vom Zeitpunkt
t = 0 ms bis 3,12 ms für
φ = 0,0099.
Bild Nr. 1
CCP-Prozess ( t = 0 ... 3,12 ms, φ = 0,0099).Eine Kapillarglasnadel wurde verwendet, um die Blase zu punktieren. Das Zusammenfallen der Blasen zu Beginn des CCP-Prozesses wird entlang der Außenkanten des Schaums beobachtet, was die Wissenschaftler als Oberflächeneffekt bezeichneten. Anschließend beginnen zwei CCP-Prozesse im Schaum selbst, sozusagen in seinem Gesamtvolumen: Ausbreitung und Penetration.
Wenn der Flüssigkeitsfilm zerrissen ist, wird er schnell vom Plateau-Kanal absorbiert.
Nach dem Plateau-Gesetz sind die Ränder der Blase im Schaum Kanäle, die mit einem Dispersionsmedium gefüllt sind. Nur drei Filme, die sich in einem Winkel von 120 ° befinden, können in einem Kanal konvergieren.
Die Struktur der Zelle (Blase) des Schaums.
Aufgrund des starken Absorptionseffekts bricht auch der nächste im selben Plateau-Kanal konvergierende Flüssigkeitsfilm (roter Kreis auf
1a ). Dieser sequentielle (Kaskaden-) Prozess der Zerstörung von Schaumblasen ist einer der Prozesse der CCP-Vermehrung (
1b ).
Gleichzeitig wird zum Zeitpunkt der Absorption des Berstfilms durch den Plateau-Kanal ein Flüssigkeitstropfen (blaue und grüne Kreise auf
1a ) freigesetzt. Tropfen fallen in den Schaum in den von der Flüssigkeit entfernten Film (Pfeile auf
1a ). Die Geschwindigkeit dieser Tropfen (V
d ) betrug ungefähr 3 m / s. Dieser als Penetration bezeichnete CCP-Prozess führt zur Zerstörung der entfernten Filme (
1b ).
Während der vielfältigen Zerstörung der Blasenfilme durch beide CCP-Varianten tritt ein vollständiger Zusammenbruch auf.
Wenn
φ auf ≥ 0,015 erhöht wird, ist die Wahrscheinlichkeit eines Flüssigkeitstropfens zum Zeitpunkt der Zerstörung des Blasenfilms stark verringert. Und die Geschwindigkeit der entstandenen Tröpfchen wird ebenfalls geringer, was es für die Tröpfchen schwieriger macht, in die entfernten Filme einzudringen. Anstelle des Eindringens prallt ein Tropfen ab.
Tropfenrückprall (anstelle von Penetration) bei φ ≥ 0,015.
Bild Nr. 2Das Bild oben zeigt, wie ein Tropfen innerhalb von 30 ms von den Filmen abprallt (die gestrichelte Linie ist die Flugbahn des Tropfens).
Durch Messen der Tröpfchengeschwindigkeit (V
d ) nach jedem Rückprall können wir die Abhängigkeit von V
d von der Anzahl der Hübe (n
i ) darstellen.
Bild 3: Geschwindigkeit versus Anzahl der Bounces.Wie erwartet nimmt die Tröpfchengeschwindigkeit mit zunehmender Anzahl von Bounces ab. In diesem Fall ist es möglich, den Filmwiederherstellungskoeffizienten als
e = | V
d (i + 1) | zu bestimmen / | V
d (i) |, wobei | V
d (i) | - Tröpfchengeschwindigkeit nach dem i-ten Rückprall. Unter Verwendung von Beobachtungsdaten wurde gefunden, dass
e = 0,50 ~ 0,74. Nach dem i-ten Rückprall wird der Tropfen vom Flüssigkeitsfilm absorbiert.
Mit einem weiteren Anstieg von
φ (> 0,022) wird der Film erfolgreich vom Plateau-Kanal absorbiert, es entstehen jedoch keine Flüssigkeitstropfen. Blasen entlang der Kante des Schaums platzen selbst bei höheren Werten von
φ aus dem Oberflächeneffekt, aber die Anzahl solcher Blasen wird stark verringert und der Kollapsprozess stoppt schnell. Mit anderen Worten, der CCP-Prozess findet nicht statt.
Als nächstes untersuchten die Wissenschaftler die Abhängigkeit der Anzahl der platzenden Blasen vom Index φ. Der Satz kollabierender Blasen (
insgesamt N) besteht aus solchen, die aufgrund des Oberflächeneffekts am Rand des Schaums platzen, und solchen, die aufgrund des Eindringens und der Ausbreitung kollabieren.
Auch in den Berechnungen wird der Indikator N
inner verwendet - die Anzahl der kollabierenden Blasen im Schaumvolumen abzüglich der Außenkanten. Die Zerstörung der Blasen wurde von der ersten bis zur letzten Blase gezählt, was ungefähr 0,04 Sekunden dauerte.
Bild Nr. 4Das Bild oben zeigt N
gesamt (rot) und N
inner (blau) relativ zu
φ . Dreiecke, Kreise und Quadrate entsprechen N
gesamt oder N
inner bei N
f ~ 200 für Glycerinkonzentrationen von 9,4%, 17,8% bzw. 29% (N
f ist die Gesamtzahl der Blasen im Schaum).
Wie wir aus dem Diagramm sehen können, nimmt der Wert von N
total und N
inner mit zunehmendem
φ ab . Unter Anwendung des
Potenzgesetzes * fanden die Wissenschaftler, dass N
inneres ∝
φ −γ e bei γ
e = 2,3 ± 0,36 ist.
Das Potenzgesetz * ist die funktionale Abhängigkeit zweier Größen, wenn eine Änderung der einen zu einer proportionalen Änderung der anderen führt.
Es wurde auch gefunden, dass die Indikatoren N
total und N
inner nicht von der Glycerinkonzentration abhängen, wenn sie unter 29% liegt. Wenn die Konzentration auf 40% ansteigt, wird es schwieriger, die Blase zu durchstechen, und der CCP-Prozess findet nicht statt.
Die Untersuchung des Zusammenbruchs von Blasen im Fall eines größeren Schaums (N
f ~ 500) zeigte, dass ihre Anzahl nicht von der Gesamtzahl der Blasen abhängt (Diamanten in der obigen Grafik), d. H. N
gesamt und N
inner sind unabhängig von N
f .
Wie wir uns erinnern, wurde eine Glasnadel zum Einstechen verwendet. Es wurde mit Silikonfett beschichtet, um das Piercing zu verbessern. Wissenschaftler haben überprüft, wie sich dies auf die Werte von N
total und N
inner auswirkt, indem sie Einstiche ohne Schmierung vorgenommen haben. Somit entstand der CCP-Prozess spontan. Wie zu erwarten war, hatte die Verwendung des Schmiermittels jedoch keinen Einfluss auf die Anzahl der kollabierenden Blasen und den CCC-Prozess insgesamt.
Wenn
φ klein ist, ist die Form jeder Blase anisotrop und verzerrte Blasen bilden eine Art Kette. Blasen mit anisotroper Form und / oder großer Größe haben eine große überschüssige Oberflächenenergie, daher werden sie leichter zerstört.
Vor diesem Hintergrund beschlossen die Wissenschaftler, die Beziehung zwischen der KPCh und der Form der Blasen zu überprüfen. Hierzu wurde der Parameter λ
i als Charakteristik der Anisotropie der Blase
i verwendet . λ
i wird durch die folgende Formel bestimmt:
wobei
j das Pixel am Rand der Blase ist,
n die Gesamtzahl der Pixel
j ist , r
j der Abstand zwischen der Mitte der Blase
i und dem Pixel
j ist ,
r der durchschnittliche Abstand r
j ist .
λ
i ist gleich 0, wenn die Blase
i rund ist . Wenn es anisotrop ist, dann ist λ
i > 0.
Bild Nr. 5Bild
5a zeigt den Schaum bei
φ = 0,0086 vor Beginn des CCP-Prozesses. Die Blasen sind von schwarz (λ
i mehr) bis weiß (λ
i weniger) gefärbt. Rote Punkte zeigen an, dass die Blasen während der KPCh zusammengebrochen sind.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Blasen auf der linken Seite gleichmäßig zerstört werden. Grafik
5b zeigt die Wahrscheinlichkeitsverteilung als Funktion des mittleren Blasendurchmessers
i (d
i ) vor und nach der PEC aller Blasen. Der Durchmesser (d
i ) wurde berechnet, indem der Abstand zwischen dem Zentrum und der Grenzfläche der Blase gemittelt wurde. Wie wir sehen können, ist die Form der Wahrscheinlichkeitsverteilung in der Grafik nach CCP dieselbe wie vor CCP.
In der Grafik
5c ist das Verhältnis des Durchmessers nach der CCP (d
a ) und zur CCP (d
b ) angegeben. Offensichtlich hat sich d
a = d
b , dh der Durchmesser der Blasen hat sich während des Kaskadenkollapses nicht geändert.
Grafik
5d zeigt λ
i (Blasenanisotropiecharakteristik) vor und nach dem Kollaps. Dieser Indikator änderte sich auch trotz des Kaskadenkollapses nicht (λ
a (vor CKP) = λ
b (nach CKP);
5e ).
Alle diese Beobachtungen zeigen, dass sich die Form der Blasen aufgrund der Kaskadenzerstörung des Schaums nicht ändert und dass die Form diesen Prozess nicht beeinflusst.
Der nächste wahrscheinliche Faktor, der den Prozess der Schaumzerstörung beeinflusst, ist die mechanische Wirkung eines zerrissenen Blasenfilms auf seine Nachbarn. Um den Einfluss dieses Faktors zu bestimmen, haben die Wissenschaftler die Filmbruchrate bei einer Glycerinkonzentration von 17,8% unter Verwendung der Formel V =
l /
t gemessen, wobei
l die Länge des Films und
t die Zeit ist, die erforderlich ist, um den Film von Anfang bis Ende zu absorbieren.
Bild Nr. 6Grafik
6a zeigt die Abhängigkeit von V von
φ in Form eines logarithmischen Graphen. Berechnungen zeigen, dass V ~ 10 m / s bei einer Glycerinkonzentration von 17,8% (Kreise in der Grafik). Bei einer Glycerinkonzentration von 29% änderte sich die Rate praktisch nicht (Quadrate in der Grafik).
Mit zunehmendem
φ nimmt die Geschwindigkeit ab, wodurch die während des Bruchs gebildeten Filme von anderen Kanälen abprallen und infolgedessen von diesen absorbiert werden.
Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und osmotischem Druck (
6b ) wurde ebenfalls untersucht.
Die Druckformel für zweidimensionalen Schaum lautet wie folgt:
wobei
σ die Oberflächenspannung ist,
R der durchschnittliche Radius der Blase ist,
φ J der Keilpunkt von 0,16 in zwei Dimensionen ist.
In ihrer Arbeit verwendeten die Wissenschaftler die folgenden Indikatoren:
σ = 37 mN / m und
R = 1,7 mm.
Wenn wir annehmen, dass die Filmschichtdicke 1 μm beträgt, ist eine proportionale Abhängigkeit von V von Π (
6b ) sichtbar. Die treibende Kraft der Absorption ist daher der Unterdruck im Film.
Schließlich führten die Wissenschaftler eine Analyse des Verhältnisses von N
inner und Geschwindigkeit V durch (Bild unten).
Bild Nr. 7Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der
innere Index N mit zunehmender Filmflussrate signifikant ansteigt. Wir können daher den Schluss ziehen, dass der Penetrationsprozess ein entscheidendes Element im Prozess des allgemeinen Schaumkollapses ist.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den
Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .
Nachwort
In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler herausfinden, dass zum Zeitpunkt der Zerstörung des Schaums zwei Prozesse die Hauptrolle spielen - Absorption und Verteilung. Darüber hinaus fanden Wissenschaftler heraus, dass eine Zunahme des Flüssigkeitsanteils und die Geschwindigkeit der Tropfen, die während der Zerstörung des Blasenfilms auftreten, abnehmen. Daher ist es schwieriger, den gesamten Schaum zu zerstören. Anstatt einen Tropfen durch einen anderen entfernten Film zu absorbieren, tritt ein mehrfacher Tropfen des Tropfens auf und erst dann Absorption.
Wissenschaftler beabsichtigen, den Schaum weiter zu untersuchen, um seine Stärken und Schwächen zu verstehen. Ihrer Meinung nach wird diese Arbeit den Schaum verbessern und ihn haltbarer und stabiler machen. Und solche Vorteile können sowohl im Alltag als auch in Labors nützlich sein, die an der Herstellung und Untersuchung verschiedener biologischer und chemischer Substanzen, Materialien und anderer Dinge beteiligt sind.
Wer hätte gedacht, dass Wissenschaftler im 21. Jahrhundert tatsächlich Bierschaum untersuchen und nach Wegen suchen würden, ihn stärker zu machen. Aber egal wie seltsam es klingen mag, jedes Wissen ist wichtig, jedes Wissen wird benötigt. Wenn wir die Welt um uns herum und alles, was sie ausfüllt, verstehen, können wir das, was vor langer Zeit erfunden oder entdeckt wurde, besser nutzen oder es entsprechend den sich ständig ändernden Bedingungen unseres Lebens verbessern.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)
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