बुलबुला भौतिकी: फोम विनाश तंत्र के लिए एक खोज

सबसे सरल चीजों में सबसे असामान्य और यहां तक ​​कि अस्पष्टीकृत पहलू हो सकते हैं। कम उम्र से ही हम अपने चारों ओर फैली हर चीज की प्रकृति को समझने की कोशिश करते हैं। झूमर में प्रकाश कैसे काम करता है, आकाश नीला क्यों है, जहां बारिश होती है, नींबू क्यों खट्टा है, और चीनी मीठा है - यह सिर्फ सवालों की एक छोटी सूची है जो एक जिज्ञासु बच्चा बहुत कम समय में पूछ सकता है। बड़े होकर, हमें ऐसी बातों में इतनी दिलचस्पी नहीं है, हमारी राय में, कुछ और महत्वपूर्ण बातों पर ध्यान देना। लेकिन सरल की प्रकृति को समझना, पहली नज़र में, चीजों से बहुत लाभ हो सकता है।

आज हम एक बहुत ही असामान्य अध्ययन से परिचित होंगे जिसमें वैज्ञानिकों ने फोम विनाश के तंत्र को समझने की कोशिश की। क्या आपने कभी सोचा है कि आपके कैपुचीनो में फोम उतना टिकाऊ क्यों नहीं होता जितना हम चाहेंगे? यदि आपको बताया गया था कि आप इसे खाना बनाना नहीं जानते हैं, तो अब आपके पास एक बहुत ही वैज्ञानिक प्रतिवाद होगा। घटनाओं के किस क्रम से फोम संरचना का विनाश होता है, इस प्रक्रिया के लिए उत्प्रेरक क्या है और इस तरह के ज्ञान का उपयोग क्या है? हम अनुसंधान समूह की रिपोर्ट में इन और अन्य सवालों के जवाब पाएंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

कोई फर्क नहीं पड़ता कि फोम पहली नज़र में कितना सरल लग सकता है, यह अभी भी एक गैस छितरी हुई अवस्था और एक तरल / ठोस फैलाव माध्यम के साथ एक जटिल प्रणाली बना हुआ है। अगर हम गैस बुलबुले और तरल फिल्मों से मिलकर सबसे सामान्य फोम के बारे में बात करते हैं, तो ऐसी संरचना को एक noquilibrium प्रणाली माना जाता है। इस तथ्य के कारण फोम को एक पॉलीइस्पिरस प्रणाली भी कहा जा सकता है कि मिश्रित बुलबुले पूरी तरह से अलग आकार के हो सकते हैं। इसके अलावा, फोम बहुत अस्थिर है और इसलिए इस तथ्य के कारण बहुत ही अल्पकालिक प्रणाली है कि तरल का घनत्व गैस के घनत्व की तुलना में सैकड़ों या हजारों गुना अधिक है।

इसके बावजूद, मानव जीवन में झाग काफी आम हैं और विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग किए जाते हैं। वे रोजमर्रा की जिंदगी (व्हीप्ड क्रीम, शेविंग फोम, आदि), जैव प्रौद्योगिकी (बायोरिएक्टर में फोम), रासायनिक प्रौद्योगिकी (फोम फ्लोटेशन) में और यहां तक ​​कि फार्माकोलॉजी में भी मौजूद हैं। यदि हम फोम के विनाश की प्रक्रिया के पीछे के तंत्र का अध्ययन करते हैं, तो हम इसे अधिक टिकाऊ बना सकते हैं, जैसा कि शोधकर्ताओं ने खुद कहा है।

अपने काम में, वे तीन मुख्य प्रक्रियाओं को इंगित करते हैं जो फोम की गतिशीलता को विनियमित करते हैं: इज़ाफ़ा, जल निकासी और विनाश। वृद्धि बुलबुले की संख्या को कम करने की प्रक्रिया है, लेकिन उनके आकार में वृद्धि, जो बुलबुले के बीच विभिन्न दबावों के कारण होती है। गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में पानी के प्रवाह के कारण, फिल्मों को पतला करने की प्रक्रिया है, यानी बुलबुले की दीवारें।

फोम जीवन के इन दो चरणों का पहले ही काफी अच्छी तरह से अध्ययन किया जा चुका है, जैसे कि सामान्य तौर पर विनाश की प्रक्रिया। पिछले अध्ययनों से पता चला है कि तरल के मात्रा अंश में कोलेसिनेसिटी की निचली सीमा तक पहुँचने पर बुलबुला विनाश होता है।

कोलेसेंस * - एक मोबाइल माध्यम के भीतर कणों का संलयन (उदाहरण के लिए, फोम में बुलबुले)।

बबल के विनाश और टी 1 * के पुनर्व्यवस्था के बीच एक संबंध भी स्थापित किया गया था ताकि सिस्टम में अतिरिक्त हवा को पेश किया जा सके।

T1 * प्रक्रिया या T1 * पुनर्व्यवस्था सेल्यूलर सामग्री (फोम, जैविक ऊतकों आदि) के आकार को बदलने की प्रक्रिया है, जिसमें बूंदों, बुलबुले, कोशिकाओं से मिलकर बनता है।



प्रक्रिया की शुरुआत में, 4 ऑब्जेक्ट्स (ए, बी, सी और डी) हैं। ए और बी संपर्क में हैं, सी और डी एबी के दोनों किनारों पर स्थित हैं, अर्थात, वे एक दूसरे के संपर्क में नहीं हैं। सी और डी के बीच संचार की बाद की स्थापना के साथ ए और बी के बीच संबंध का टूटना - यह प्रक्रिया टी 1 है।

बुलबुले के विनाश के क्षण में, एक मामूली "पॉप" (गैस रिलीज) सुन सकता था। फोम के विनाश के समय ध्वनिक डेटा को मापने और विश्लेषण करने से, वैज्ञानिक इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि यह प्रक्रिया सामूहिक बुलबुला पतन (सीसीपी) के कारण होती है, दूसरे शब्दों में, कैस्केड पतन।

लेकिन केकेपी सिर्फ हिमशैल की नोक है, और खुद तंत्र, जो इसे कार्रवाई में लॉन्च करता है, अज्ञात है। यह समझने का तरीका है कि डोमिनोज़ की श्रृंखला को नष्ट कर दिया जाता है, क्योंकि डोमिनोज़ एक-दूसरे पर गिरते हैं, लेकिन यह नहीं जानते हैं कि कौन सा पहले था और इस पर दस्तक दी गई थी (एक मोटा, लेकिन समझने योग्य रूपक)।

इस कार्य में, वैज्ञानिकों ने एक अर्ध-प्रायोगिक फोम के रूप में अर्ध-प्रायोगिक फोम का इस्तेमाल किया, जिसके किनारे पर 1 बुलबुला फट गया। वैज्ञानिकों ने उच्च गति वाले कैमरे का उपयोग करके पूरे फोम के विनाश के झरने का अवलोकन किया, जिसके बाद उन्होंने रिकॉर्ड का विश्लेषण किया। पतन के प्रसार के दो तंत्र स्थापित किए गए हैं: प्रसार और पैठ।

जैसे-जैसे and (वॉल्यूम अंश) बढ़ता है, तरल बूंदों के लिए तरल फिल्मों में घुसना अधिक से अधिक कठिन हो जाता है, जिससे फिल्म की लोच या फिल्म द्वारा बूंदों के अवशोषण के कारण फिल्मों को उछाल देना पड़ता है। टिप्पणियों के परिणामों में इसके बारे में अधिक।

अनुसंधान के परिणाम

सीसीपी (सामूहिक बुलबुला पतन) की प्रक्रिया of के विभिन्न मूल्यों पर देखी गई। इसलिए, उदाहरण के लिए, छवि 1a समय के लिए TCP = 0 ms से 3.12 ms φ = 0.0099 के लिए CCP दिखाता है।


चित्र संख्या 1


CCP प्रक्रिया ( t = 0 ... 3.12 ms, 99 = 0.0099)।

बुलबुले को पंचर करने के लिए एक केशिका कांच की सुई का उपयोग किया गया था। सीसीपी प्रक्रिया की शुरुआत में बुलबुले के पतन को फोम के बाहरी किनारों के साथ मनाया जाता है, जिसे वैज्ञानिकों ने सतह के प्रभाव को कॉल करने का निर्णय लिया। इसके बाद, दो CCP प्रक्रिया फोम के अंदर शुरू होती हैं, इसलिए इसकी कुल मात्रा में बात करने के लिए: प्रसार और पैठ।

जब तरल फिल्म को फाड़ दिया जाता है, तो यह पठार चैनल द्वारा जल्दी से अवशोषित हो जाता है।

पठारी कानून के अनुसार, फोम में बुलबुले के किनारों को फैलाव माध्यम से भरा चैनल होता है। 120 ° के कोण पर स्थित केवल तीन फिल्में एक चैनल में परिवर्तित हो सकती हैं।


फोम की कोशिका (बुलबुले) की संरचना।

मजबूत अवशोषण प्रभाव के कारण, उसी पठार चैनल में परिवर्तित होने वाली अगली तरल फिल्म भी टूट जाती है ( 1a पर लाल वृत्त)। फोम बुलबुले के विनाश की यह अनुक्रमिक (कैस्केड) प्रक्रिया सीसीपी - प्रसार ( 1 बी ) की प्रक्रियाओं में से एक है।

उसी समय, पठार चैनल द्वारा फटने वाली फिल्म के अवशोषण के समय तरल ( 1 ए पर नीले और हरे रंग के घेरे) को छोड़ दिया जाता है। बूँदें तरल ( 1 ए पर तीर) द्वारा हटाए गए फिल्म में फोम में गिरती हैं। इन बूंदों (V _d ) का वेग लगभग 3 m / s था। CCP प्रक्रिया, जिसे प्रवेश कहा जाता है, हटाए गए फिल्मों ( 1 बी ) के विनाश की ओर ले जाती है।

दोनों CCP वेरिएंट के माध्यम से बुलबुला फिल्मों के बहुमुखी विनाश के दौरान पूर्ण पतन होता है।

यदि If 0.015 तक बढ़ा दिया जाता है , तो बुलबुला फिल्म के विनाश के समय तरल की एक बूंद की संभावना बहुत कम हो जाती है। और उठने वाली बूंदों की गति भी कम हो जाती है, जिससे बूंदों को हटाए गए फिल्मों में घुसना अधिक कठिन हो जाता है। पैठ के बजाय, एक बूंद उछलती है।


ड्रॉप पलटाव (पैठ के बजाय) ound। 0.015 पर।


चित्र संख्या 2

ऊपर की छवि दिखाती है कि कैसे एक बूंद 30 एमएस के भीतर फिल्मों को उछाल देती है (धराशायी लाइन ड्रॉप का प्रक्षेपवक्र है)।

प्रत्येक रिबाउंड के बाद छोटी बूंद के वेग (वी _डी ) को मापकर, हम स्ट्रोक (एन _i ) की संख्या पर वी _डी की निर्भरता की साजिश कर सकते हैं।


चित्र 3: उछाल की संख्या की गति।

जैसा कि अपेक्षित था, बूंदों की बढ़ती संख्या के साथ बूंद का वेग कम हो जाता है। इस मामले में, ई के रूप में फिल्म रिकवरी गुणांक निर्धारित करना संभव है। = V _d (i + 1) | / | V _d (i) |, जहाँ | V _d (i) | - आई-वें रिबाउंड के बाद छोटी बूंद का वेग। अवलोकन डेटा का उपयोग करते हुए, यह पाया गया कि ई = 0.50 ~ 0.74। इथ रिबाउंड के बाद, बूंद को तरल फिल्म द्वारा अवशोषित किया जाता है।

Φ (> 0.022) में एक और वृद्धि के साथ, फिल्म पठार चैनल द्वारा सफलतापूर्वक अवशोषित हो जाती है, लेकिन तरल बूँदें उत्पन्न नहीं होती हैं। फोम के किनारे के बुलबुले सतह के प्रभाव से of के उच्च मूल्यों पर भी फटते हैं , लेकिन ऐसे बुलबुले की संख्या बहुत कम हो जाती है, और पतन की प्रक्रिया जल्दी बंद हो जाती है। दूसरे शब्दों में, CCP प्रक्रिया नहीं होती है।

अगला, वैज्ञानिकों ने सूचकांक पर फटने वाले बुलबुले की संख्या की निर्भरता की जांच की the। टकराने वाले बुलबुले (एन _कुल ) के सेट में वे होते हैं जो सतह के प्रभाव के कारण फोम के किनारे पर फट जाते हैं, और जो प्रवेश और प्रसार के कारण ढह जाते हैं।

गणना में भी, संकेतक एन _इनर का उपयोग किया जाता है - फोम वॉल्यूम में ढहने वाले बुलबुले की संख्या बाहरी किनारों को घटाती है। बुलबुले के विनाश को पहले से अंतिम बुलबुले तक गिना गया, जिसमें लगभग 0.04 सेकंड लगे।


चित्र संख्या 4

ऊपर की छवि blue के सापेक्ष एन _कुल (लाल) और एन _इनर (नीला) दिखाती है। त्रिकोण, वृत्त और वर्ग क्रमशः N _कुल ~ N के लिए N _f ~ 200 पर ग्लिसरॉल सांद्रता में 9.4%, 17.8% और 29% के अनुरूप हैं, (N _f फोम में बुलबुले की कुल संख्या है)।

जैसा कि हम ग्राफ से देख सकते हैं, एन _कुल और एन _इनर का मूल्य बढ़ते the के साथ घटता है। शक्ति कानून * को लागू करते हुए, वैज्ञानिकों ने पाया कि एन _इनर φ ^−γ γ _e ^power _e = 2.3 ³⁶ 0.36 पर।

पावर लॉ * दो राशियों की कार्यात्मक निर्भरता है जब एक में परिवर्तन दूसरे में आनुपातिक परिवर्तन की ओर जाता है।

यह भी पाया गया कि संकेतक एन _कुल और एन _इनर ग्लिसरॉल की एकाग्रता पर निर्भर नहीं करते हैं, अगर यह 29% से कम है। यदि एकाग्रता 40% तक बढ़ जाती है, तो बुलबुले को छेदना अधिक कठिन हो जाता है, और सीसीपी प्रक्रिया नहीं होती है।

एक बड़े फोम (एन _एफ ~ 500) के मामले में बुलबुले के ढहने के अध्ययन से पता चला कि उनकी संख्या बुलबुले की कुल संख्या (ऊपर ग्राफ में हीरे) पर निर्भर नहीं करती है, अर्थात, एन _कुल और एन _इनर एन _{एफ से} स्वतंत्र हैं।

जैसा कि हम याद करते हैं, पंचर करने के लिए एक कांच की सुई का इस्तेमाल किया गया था। इसे छेदने में सुधार के लिए सिलिकॉन ग्रीस के साथ लेपित किया गया था। वैज्ञानिकों ने जाँच की है कि यह बिना स्नेहन के पंचर बनाकर एन _कुल और एन _इनर के मूल्यों को कैसे प्रभावित करता है। इस प्रकार, CCP प्रक्रिया अनायास उठी। हालांकि, जैसा कि एक की उम्मीद होगी, स्नेहक के उपयोग ने टकराने वाले बुलबुले की संख्या और समग्र रूप से सीसीसी प्रक्रिया को प्रभावित नहीं किया।

यदि If छोटा है, तो प्रत्येक बुलबुले का आकार अनिसोट्रोपिक है, और विकृत बुलबुले एक प्रकार की श्रृंखला बनाते हैं। अनिसोट्रोपिक आकृति और / या बड़े आकार के बुलबुले में एक बड़ी अतिरिक्त सतह ऊर्जा होती है, इसलिए, वे आसानी से नष्ट हो जाते हैं।

इसे देखते हुए, वैज्ञानिकों ने सीसीपी और बुलबुले के आकार के बीच संबंधों की जांच करने का फैसला किया। इसके लिए, पैरामीटर λ _i का उपयोग बुलबुला i के अनिसोट्रॉपी की विशेषता के रूप में किया गया था। λ _मैं निम्नलिखित सूत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है:


जहाँ j बुलबुले के किनारे पर पिक्सेल है, n , पिक्सेल j की कुल संख्या है, r _j , बुलबुला i और पिक्सेल j के बीच की दूरी है, r औसत दूरी r _{j है} ।

λ _मैं 0 के बराबर होगा यदि बुलबुला मैं गोल है। यदि यह अनिसोट्रोपिक है, तो λ _i > 0।


चित्र संख्या 5

छवि 5a CCP प्रक्रिया की शुरुआत से पहले φ = 0.0086 पर फोम दिखाता है। बुलबुले काले (λ _मैं अधिक) से सफेद (λ _मैं कम) से रंगे हैं। लाल बिंदुओं से संकेत मिलता है कि बुलबुले CCP के दौरान ढह गए थे।

वैज्ञानिकों ने पाया है कि बाईं ओर के बुलबुले समान रूप से नष्ट हो गए हैं। ग्राफ 5 बी सभी बुलबुले के पीईसी के पहले और बाद में माध्य व्यास ( _i ) के बबल व्यास के कार्य के रूप में संभाव्यता वितरण को दर्शाता है। व्यास (डी _आई ) की गणना केंद्र और बुलबुले के इंटरफेस के बीच की दूरी के औसत से की गई थी। जैसा कि हम देख सकते हैं, CCP के बाद ग्राफ पर संभाव्यता वितरण का रूप CCP से पहले जैसा है।

ग्राफ 5 सी पर, सीसीपी (डी _ए ) और सीसीपी (डी _बी ) के बाद व्यास का अनुपात। जाहिर है, डी = डी _बी , यानी कैस्केड ढहने के दौरान बुलबुले का व्यास नहीं बदला।

ग्राफ 5d पतन से पहले और बाद में λ _i (बुलबुला ऐसोट्रॉपी विशेषता) को दर्शाता है। कैस्केड के ढहने (λ's (CKP से पहले) = λ _b (CKP के बाद); 5e ) के बावजूद भी यह सूचक नहीं बदला।

इन सभी टिप्पणियों से संकेत मिलता है कि फोम के कैस्केड विनाश के कारण बुलबुले का आकार नहीं बदलता है, और यह भी कि आकार इस प्रक्रिया को प्रभावित नहीं करता है।

फोम विनाश की प्रक्रिया को प्रभावित करने वाला अगला संभावित कारक अपने पड़ोसियों पर फटे बुलबुले की फिल्म का यांत्रिक प्रभाव है। इस कारक के प्रभाव को निर्धारित करने के लिए, वैज्ञानिकों ने फार्मूला वी = एल / टी का उपयोग करके 17.8% ग्लिसरॉल एकाग्रता पर फिल्म के टूटने की दर को मापा, जहां एल फिल्म की लंबाई है और टी को फिल्म को शुरू से अंत तक अवशोषित करने के लिए आवश्यक समय है।


चित्र संख्या 6

ग्राफ 6a , लघुगणक ग्राफ के रूप में V पर निर्भरता को दर्शाता है। गणना से पता चलता है कि V ~ 10 m / s ग्लिसरॉल सांद्रता में 17.8% (ग्राफ पर वृत्त)। 29% ग्लिसरॉल की एकाग्रता के मामले में, दर व्यावहारिक रूप से नहीं बदला (ग्राफ पर वर्ग)।

बढ़ते the के साथ , वेग कम हो जाता है, जिसके कारण टूटने के दौरान बनाई गई फिल्में अन्य चैनलों से उछलती हैं और परिणामस्वरूप, उनके द्वारा अवशोषित होती हैं।

वेग और आसमाटिक दबाव ( 6 बी ) के बीच संबंध का भी अध्ययन किया गया है।

दो-आयामी फोम के लिए दबाव सूत्र निम्नानुसार है:


जहां σ सतह का तनाव है, R बुलबुले का औसत त्रिज्या है, the _J दो आयामों में 0.16 का बिंदु है।

अपने काम में, वैज्ञानिकों ने निम्नलिखित संकेतकों का उपयोग किया: used = 37 एमएन / एम और आर = 1.7 मिमी।

यदि हम मानते हैं कि फिल्म की परत की मोटाई 1 माइक्रोन है, तो वी पर Π ( 6 बी ) की आनुपातिक निर्भरता दिखाई देती है। इसलिए, अवशोषण की प्रेरणा शक्ति फिल्म में नकारात्मक दबाव है।

अंत में, वैज्ञानिकों ने एन _इनर और स्पीड वी (नीचे की छवि) के अनुपात का विश्लेषण किया।


चित्र संख्या 7

वैज्ञानिकों ने पाया है कि फिल्म के प्रवाह की दर में वृद्धि के साथ सूचकांक एन _इनर काफी बढ़ जाता है। इस प्रकार, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि प्रवेश प्रक्रिया सामान्य फोम के पतन की प्रक्रिया में एक निर्णायक तत्व है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

इस काम में, वैज्ञानिक यह पता लगाने में सक्षम थे कि फोम के विनाश के समय, दो प्रक्रियाओं द्वारा मुख्य भूमिका निभाई जाती है - अवशोषण और वितरण। इसके अलावा, वैज्ञानिकों ने पाया कि बबल फिल्म के विनाश के दौरान तरल के अनुपात में वृद्धि, बूंदों की गति कम हो जाती है। इसलिए, सभी फोम को नष्ट करना अधिक कठिन है। एक और दूर की फिल्म द्वारा एक बूंद को अवशोषित करने के बजाय, ड्रॉप की एक एकाधिक बूंद होती है, और उसके बाद ही अवशोषण होता है।

वैज्ञानिकों ने इसकी ताकत और कमजोरियों को समझने के लिए फोम का और अध्ययन करने का इरादा किया। उनकी राय में, यह काम फोम में सुधार करेगा, जिससे यह अधिक टिकाऊ और स्थिर होगा। और इस तरह के फायदे रोजमर्रा की जिंदगी में और विभिन्न जैविक और रासायनिक पदार्थों, सामग्रियों और अन्य चीजों के उत्पादन और अध्ययन में शामिल प्रयोगशालाओं में उपयोगी हो सकते हैं।

किसने सोचा होगा कि 21 वीं सदी में, वैज्ञानिक वास्तव में बीयर फोम का अध्ययन करेंगे, इसे मजबूत बनाने के तरीकों की तलाश करेंगे। लेकिन, यह सुनने में कितना अजीब लग सकता है, कोई भी ज्ञान महत्वपूर्ण है, किसी भी ज्ञान की आवश्यकता है। हमारे चारों ओर की दुनिया को समझना और उसे भरने वाली हर चीज हमें बेहतर उपयोग करने की अनुमति देती है जो कि बहुत पहले ही खोज या खोज की गई थी, या हमारे जीवन की लगातार बदलती परिस्थितियों के अनुसार इसे सुधारने के लिए।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों! :)

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