Les choses les plus simples peuvent avoir les aspects les plus insolites et même inexplorés. Dès le plus jeune âge, nous essayons de comprendre la nature de tout ce qui nous entoure. Comment fonctionne la lumière dans le lustre, pourquoi le ciel est bleu, où il pleut, pourquoi le citron est aigre et le sucre sucré - ce n'est qu'une petite liste de questions qu'un enfant curieux peut poser en très peu de temps. En grandissant, nous ne sommes pas tellement intéressés par de telles choses, prêtant attention à quelque chose de plus important, à notre avis. Mais comprendre la nature des choses simples, à première vue, peut être très bénéfique.
Aujourd'hui, nous allons nous familiariser avec une étude très inhabituelle dans laquelle les scientifiques ont essayé de comprendre le mécanisme de destruction de la mousse. Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi la mousse de votre cappuccino n'est pas aussi durable que nous le souhaiterions? Si on vous disait que vous ne savez tout simplement pas comment le faire cuire, vous aurez maintenant un contre-argument très scientifique. Quelle séquence d'événements conduit à la destruction de la structure en mousse, quel est le catalyseur de ce processus et quelle est l'utilité de ces connaissances? Nous trouverons des réponses à ces questions et à d'autres dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Base d'étude
Quelle que soit la simplicité de la mousse à première vue, elle reste un système complexe avec une phase dispersée gazeuse et un milieu de dispersion liquide / solide. Si nous parlons de la mousse la plus courante, constituée de bulles de gaz et de films liquides, une telle structure est considérée comme un système hors équilibre. La mousse peut également être appelée un système polydisperse du fait que les bulles composites peuvent être de tailles complètement différentes. De plus, la mousse est très instable et donc de système à très courte durée de vie du fait que la densité du liquide est des centaines voire des milliers de fois supérieure à la densité du gaz.
Malgré cela, les mousses sont assez courantes dans la vie humaine et sont utilisées dans divers domaines. Ils sont présents dans la vie quotidienne (crème fouettée, mousse à raser, etc.), en biotechnologie (mousse en bioréacteurs), en technologie chimique (flottation de mousse), et même en pharmacologie. Si nous étudions le mécanisme derrière le processus de destruction de la mousse, nous pouvons le rendre plus durable, comme disent les chercheurs eux-mêmes.
Dans leur travail, ils mettent en évidence trois processus principaux qui régulent la dynamique de la mousse: l'élargissement, le drainage et la destruction. L'élargissement est le processus de réduction du nombre de bulles, mais d'augmentation de leur taille, qui est provoqué par des pressions différentes entre les bulles. La vidange est le processus d'amincissement des films, c'est-à-dire les parois des bulles, en raison de l'écoulement de l'eau sous l'influence de la gravité.
Ces deux étapes de la vie de la mousse ont déjà été assez bien étudiées, comme, en général, le processus de destruction. Des études antérieures ont montré que la destruction des bulles se produit lorsque la limite inférieure de
coalescence * dans la fraction volumique de liquide est atteinte.
Coalescence * - la fusion de particules dans un milieu mobile (par exemple, des bulles dans la mousse).
Une relation a également été établie entre la destruction de la bulle et le
réarrangement de T1 * en introduisant de l'air supplémentaire dans le système.
Le processus T1 * ou réarrangement T1 * est le processus de modification de la forme des matériaux cellulaires (mousse, tissus biologiques, etc.), constitués de gouttes, de bulles, de cellules.
Au début du processus, il y a 4 objets (A, B, C et D). A et B sont en contact, C et D sont situés des deux côtés de AB, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas en contact l'un avec l'autre. La rupture de la connexion entre A et B avec l'établissement ultérieur de la communication entre C et D - c'est le processus T1.
Au moment de la destruction de la bulle, on pouvait entendre un léger «pop» (dégagement de gaz). En mesurant et en analysant les données acoustiques au moment de la destruction de la mousse, les scientifiques sont parvenus à la conclusion que ce processus se produit en raison de l'effondrement collectif des bulles (CCP), en d'autres termes, l'effondrement en cascade.
Mais KKP n'est que la partie émergée de l'iceberg, et le mécanisme lui-même, qui le lance en action, est inconnu. C'est ainsi que l'on comprend que la chaîne de dominos est détruite, car les dominos tombent les uns sur les autres, mais ne savent pas lequel a été le premier et qu'il a été renversé (allégorie grossière mais compréhensible).
Dans ce travail, les scientifiques ont utilisé la mousse quasi-bidimensionnelle comme «expérimentale», au bord de laquelle éclate 1 bulle. Les scientifiques ont observé la cascade de destruction de la mousse entière à l'aide d'une caméra à haute vitesse, après quoi ils ont analysé les enregistrements. Deux mécanismes de propagation de l'effondrement ont été établis: la propagation et la pénétration.
Lorsque
φ (fraction volumique) augmente, il devient de plus en plus difficile pour les gouttelettes liquides de pénétrer les films liquides, ce qui fait rebondir la goutte sur les films en raison de leur élasticité ou de l'absorption de gouttes par le film. Plus à ce sujet dans les résultats des observations.
Résultats de recherche
Le processus de CCP (effondrement collectif des bulles) a été observé à différentes valeurs de
φ . Ainsi, par exemple, l'image
1a montre le CCP du temps
t = 0 ms à 3,12 ms pour
φ = 0,0099.
Image n ° 1
Processus CCP ( t = 0 ... 3,12 ms, φ = 0,0099).Une aiguille capillaire en verre a été utilisée pour percer la bulle. L'effondrement des bulles au début du processus CCP est observé le long des bords extérieurs de la mousse, que les scientifiques ont décidé d'appeler l'effet de surface. Suite à cela, deux processus CCP commencent à l'intérieur de la mousse elle-même, pour ainsi dire dans son volume total: propagation et pénétration.
Lorsque le film liquide est déchiré, il est rapidement absorbé par le canal du Plateau.
Selon la loi du Plateau, les bords de la bulle dans la mousse sont des canaux remplis d'un milieu de dispersion. Seuls trois films situés à des angles de 120 ° peuvent converger dans un canal.
La structure de la cellule (bulle) de la mousse.
En raison du fort effet d'absorption, le prochain film liquide convergeant dans le même canal Plateau se rompt également (cercle rouge sur
1a ). Ce processus séquentiel (en cascade) de destruction des bulles de mousse est l'un des processus de propagation du CCP (
1b ).
Dans le même temps, une goutte de liquide (cercles bleus et verts sur
1a ) est libérée lors de l'absorption du film d'éclatement par le canal du Plateau. Des gouttes tombent dans la mousse dans le film retiré par le liquide (flèches sur
1a ). La vitesse de ces gouttes (V
d ) était d'environ 3 m / s. Ce processus CCP, appelé pénétration, conduit à la destruction des films retirés (
1b ).
Un effondrement complet se produit lors de la destruction multiforme des films à bulles à travers les deux variantes de CCP.
Si
φ est augmenté à ≥ 0,015, alors la probabilité d'une goutte de liquide au moment de la destruction du film à bulles est fortement réduite. Et la vitesse des gouttelettes apparues devient également moindre, ce qui rend plus difficile la pénétration des gouttelettes dans les films retirés. Au lieu de pénétration, une goutte rebondit.
Baisse du rebond (au lieu de la pénétration) à φ ≥ 0,015.
Image n ° 2L'image ci-dessus montre comment une goutte rebondit sur les films dans les 30 ms (la ligne en pointillés est la trajectoire de la goutte).
En mesurant la vitesse des gouttelettes (V
d ) après chaque rebond, nous pouvons tracer la dépendance de V
d sur le nombre de coups (n
i ).
Image 3: Vitesse par rapport au nombre de rebonds.Comme prévu, la vitesse des gouttelettes diminue avec l'augmentation du nombre de rebonds. Dans ce cas, il est possible de déterminer le coefficient de récupération du film comme
e = | V
d (i + 1) | / | V
d (i) |, où | V
d (i) | - vitesse des gouttelettes après le i-ème rebond. En utilisant des données d'observation, il a été constaté que
e = 0,50 ~ 0,74. Après le ième rebond, la goutte est absorbée par le film liquide.
Avec une nouvelle augmentation de
φ (> 0,022), le film est absorbé avec succès par le canal Plateau, mais aucune goutte de liquide ne se produit. Des bulles le long du bord de la mousse éclatent de l'effet de surface même à des valeurs plus élevées de
φ , mais le nombre de ces bulles est considérablement réduit et le processus d'effondrement s'arrête rapidement. En d'autres termes, le processus CCP ne se produit pas.
Ensuite, les scientifiques ont étudié la dépendance du nombre de bulles qui éclatent sur l'indice φ. L'ensemble des bulles qui s'effondrent (N
total ) est constitué de celles qui éclatent au bord de la mousse en raison de l'effet de surface et celles qui s'effondrent en raison de la pénétration et de la propagation.
Toujours dans les calculs, l'indicateur N
intérieur est utilisé - le nombre de bulles s'effondrant dans le volume de mousse moins les bords extérieurs. La destruction des bulles a été comptée de la première à la dernière bulle, ce qui a pris environ 0,04 seconde.
Image n ° 4L'image ci-dessus montre N
total (rouge) et N
intérieur (bleu) par rapport à
φ . Les triangles, les cercles et les carrés correspondent à N
total ou N
interne à N
f ~ 200 pour des concentrations de glycérol de 9,4%, 17,8% et 29%, respectivement (N
f est le nombre total de bulles dans la mousse).
Comme nous pouvons le voir sur le graphique, la valeur de N
total et N
interne diminue avec l'augmentation de
φ . En appliquant la
loi de puissance * , les scientifiques ont découvert que N ∝
φ −γ e interne à γ
e = 2,3 ± 0,36.
La loi de puissance * est la dépendance fonctionnelle de deux quantités lorsqu'un changement de l'un entraîne un changement proportionnel de l'autre.
Il a également été constaté que les indicateurs N
total et N
interne ne dépendent pas de la concentration en glycérol, si elle est inférieure à 29%. Si la concentration augmente à 40%, il devient alors plus difficile de percer la bulle et le processus CCP ne se produit pas.
L'étude des bulles qui s'effondrent dans le cas d'une mousse plus grande (N
f ~ 500) a montré que leur nombre ne dépend pas du nombre total de bulles (diamants dans le graphique ci-dessus), c'est-à-dire que N
total et N
intérieur sont indépendants de N
f .
Comme nous nous en souvenons, une aiguille en verre a été utilisée pour percer. Il était enduit de graisse silicone pour améliorer le perçage. Les scientifiques ont vérifié comment cela affecte les valeurs de N
total et N
interne en effectuant des perforations sans lubrification. Ainsi, le processus CCP est apparu spontanément. Cependant, comme on pouvait s'y attendre, l'utilisation du lubrifiant n'a pas affecté le nombre de bulles qui s'effondraient et le processus CCC dans son ensemble.
Si
φ est petit, la forme de chaque bulle est anisotrope et les bulles déformées forment une sorte de chaîne. Les bulles de forme anisotrope et / ou de grande taille ont un grand excès d'énergie de surface, elles sont donc plus facilement détruites.
Compte tenu de cela, les scientifiques ont décidé de vérifier la relation entre le CCP et la forme des bulles. Pour cela, le paramètre λ
i a été utilisé comme caractéristique de l'anisotropie de la bulle
i . λ
i est déterminé par la formule suivante:
où
j est le pixel au bord de la bulle,
n est le nombre total de pixels
j , r
j est la distance entre le centre de la bulle
i et le pixel
j ,
r est la distance moyenne r
j .
λ
i sera égal à 0 si la bulle
i est ronde. S'il est anisotrope, alors λ
i > 0.
Image n ° 5L'image
5a montre la mousse à
φ = 0,0086 avant le début du processus CCP. Les bulles sont colorées du noir (λ
i plus) au blanc (λ
i moins). Les points rouges indiquent que les bulles se sont effondrées pendant le PCC.
Les scientifiques ont découvert que les bulles à gauche sont également détruites. Le graphique
5b montre la distribution de probabilité en fonction du diamètre moyen des bulles
i (d
i ) avant et après la PEC de toutes les bulles. Le diamètre (d
i ) a été calculé en faisant la moyenne de la distance entre le centre et l'interface de la bulle. Comme nous pouvons le voir, la forme de la distribution de probabilité sur le graphique après CCP est la même qu'avant CCP.
Sur le graphique
5c, le rapport du diamètre après le CCP (d
a ) et le CCP (d
b ). De toute évidence, d
a = d
b , c'est-à-dire que le diamètre des bulles n'a pas changé pendant l'effondrement de la cascade.
Le graphique
5d montre λ
i (caractéristique d'anisotropie des bulles) avant et après l'effondrement. Cet indicateur n'a pas non plus changé, malgré l'effondrement en cascade (λ
a (avant CKP) = λ
b (après CKP);
5e ).
Toutes ces observations indiquent que la forme des bulles ne change pas en raison de la destruction en cascade de la mousse, et aussi que la forme n'affecte pas ce processus.
Le prochain facteur probable affectant le processus de destruction de la mousse est l'effet mécanique d'un film à bulles déchiré sur ses voisins. Pour déterminer l'effet de ce facteur, les scientifiques ont mesuré le taux de rupture du film à une concentration de glycérol de 17,8% en utilisant la formule V =
l /
t , où
l est la longueur du film et
t est le temps nécessaire pour absorber le film du début à la fin.
Image n ° 6Le graphique
6a montre la dépendance de V sur
φ sous la forme d'un graphique logarithmique. Les calculs montrent que V ~ 10 m / s à une concentration de glycérol de 17,8% (cercles sur le graphique). Dans le cas d'une concentration de glycérol de 29%, le taux n'a pratiquement pas changé (carrés sur le graphique).
Avec l'augmentation de
φ, la vitesse diminue, ce qui fait que les films formés pendant la rupture rebondissent sur les autres canaux et, par conséquent, sont absorbés par eux.
La relation entre la vitesse et la pression osmotique (
6b ) a également été étudiée.
La formule de pression pour la mousse bidimensionnelle est la suivante:
où
σ est la tension superficielle,
R est le rayon moyen de la bulle,
φ J est le point de calage de 0,16 en deux dimensions.
Dans leur travail, les scientifiques ont utilisé les indicateurs suivants:
σ = 37 mN / m et
R = 1,7 mm.
Si nous supposons que l'épaisseur de la couche de film est de 1 μm, alors une dépendance proportionnelle de V sur Π (
6b ) est visible. Par conséquent, la force motrice d'absorption est la pression négative dans le film.
Enfin, les scientifiques ont effectué une analyse du rapport entre N
interne et la vitesse V (image ci-dessous).
Image n ° 7Les scientifiques ont découvert que l'indice N
interne augmente de manière significative avec l'augmentation du débit du film. Ainsi, nous pouvons conclure que le processus de pénétration est un élément décisif dans le processus d'effondrement général de la mousse.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le
rapport des scientifiques .
Épilogue
Dans ce travail, les scientifiques ont pu découvrir qu'au moment de la destruction de la mousse, le rôle principal était joué par deux processus - l'absorption et la distribution. En outre, les scientifiques ont constaté qu'une augmentation de la proportion de liquide, la vitesse des gouttes qui se produisent lors de la destruction du film à bulles diminue. Par conséquent, il est plus difficile de détruire toute la mousse. Au lieu d'absorber une goutte par un autre film éloigné, une goutte multiple de la goutte se produit, et alors seulement une absorption.
Les scientifiques ont l'intention d'étudier plus avant la mousse afin de comprendre ses forces et ses faiblesses. À leur avis, ce travail améliorera la mousse, la rendant plus durable et stable. Et ces avantages peuvent être utiles à la fois dans la vie quotidienne et dans les laboratoires impliqués dans la production et l'étude de diverses substances biologiques et chimiques, de matériaux et d'autres choses.
Qui aurait pensé qu'au 21e siècle, les scientifiques étudieraient en fait la mousse de bière, cherchant des moyens de la rendre plus forte. Mais, aussi étrange que cela puisse paraître, toute connaissance est importante, toute connaissance est nécessaire. Comprendre le monde qui nous entoure et tout ce qui le remplit nous permet de mieux utiliser ce qui a été inventé ou découvert il y a longtemps, ou de l'améliorer en fonction des conditions en constante évolution de nos vies.
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