Hal-hal paling sederhana dapat memiliki aspek yang paling tidak biasa dan bahkan belum dijelajahi. Sejak usia dini kami mencoba memahami sifat segala sesuatu yang mengelilingi kita. Bagaimana cahaya di kandil bekerja, mengapa langit biru, di mana hujan, mengapa lemon asam, dan gula manis - ini hanya sejumlah kecil pertanyaan yang bisa diajukan oleh anak yang penasaran dalam waktu yang sangat singkat. Tumbuh, kita tidak begitu tertarik pada hal-hal seperti itu, memperhatikan sesuatu yang lebih penting, menurut pendapat kami. Tetapi memahami sifat sederhana, pada pandangan pertama, hal-hal dapat bermanfaat besar.
Hari ini kita akan berkenalan dengan studi yang sangat tidak biasa di mana para ilmuwan mencoba memahami mekanisme penghancuran busa. Pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa busa dalam cappuccino Anda tidak tahan lama seperti yang kita inginkan? Jika Anda diberi tahu bahwa Anda tidak tahu cara memasaknya, sekarang Anda akan memiliki tandingan yang sangat ilmiah. Urutan kejadian mana yang mengarah pada penghancuran struktur busa, apa katalis untuk proses ini dan apa gunanya pengetahuan tersebut? Kami akan menemukan jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Dasar studi
Tidak peduli betapa sederhananya busa itu tampak pada pandangan pertama, tetap saja sistem yang kompleks dengan fase terdispersi gas dan media dispersi cair / padat. Jika kita berbicara tentang busa yang paling umum, yang terdiri dari gelembung gas dan film cair, maka struktur seperti itu dianggap sebagai sistem non-kalibrasi. Busa juga dapat disebut sistem polidispersi karena kenyataan bahwa gelembung komposit dapat berukuran sangat berbeda. Selain itu, busa ini sangat tidak stabil dan karena itu sistem ini berumur pendek karena fakta bahwa densitas cairan ratusan atau bahkan ribuan kali lebih tinggi daripada densitas gas.
Meskipun demikian, busa sangat umum dalam kehidupan manusia dan digunakan di berbagai bidang. Mereka hadir dalam kehidupan sehari-hari (krim kocok, busa cukur, dll.), Dalam bioteknologi (busa dalam bioreaktor), dalam teknologi kimia (busa flotasi), dan bahkan dalam farmakologi. Jika kita mempelajari mekanisme di balik proses penghancuran busa, maka kita bisa membuatnya lebih tahan lama, seperti yang dikatakan para peneliti sendiri.
Dalam pekerjaan mereka, mereka menunjukkan tiga proses utama yang mengatur dinamika busa: pembesaran, drainase, dan penghancuran. Pembesaran adalah proses mengurangi jumlah gelembung, tetapi memperbesar ukurannya, yang disebabkan oleh berbagai tekanan di antara gelembung. Pengeringan adalah proses penipisan film, yaitu dinding gelembung, karena aliran air di bawah pengaruh gravitasi.
Dua tahap kehidupan busa ini telah dipelajari dengan cukup baik, seperti, pada umumnya, proses penghancuran. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa penghancuran gelembung terjadi ketika batas bawah
koalesensi * dalam fraksi volume cairan tercapai.
Koalesensi * - penggabungan partikel dalam media bergerak (misalnya, gelembung dalam busa).
Hubungan juga terbentuk antara penghancuran gelembung dan
penataan ulang T1 * dengan memasukkan udara tambahan ke dalam sistem.
Proses T1 * atau penataan ulang T1 * adalah proses mengubah bentuk bahan seluler (busa, jaringan biologis, dll.), Yang terdiri dari tetesan, gelembung, sel.
Pada awal proses, ada 4 objek (A, B, C dan D). A dan B berada dalam kontak, C dan D terletak di kedua sisi AB, yaitu, mereka tidak saling kontak. Pemutusan hubungan antara A dan B dengan pembentukan komunikasi selanjutnya antara C dan D - ini adalah proses T1.
Pada saat penghancuran gelembung, orang bisa mendengar sedikit "pop" (pelepasan gas). Dengan mengukur dan menganalisis data akustik pada saat penghancuran busa, para ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa proses ini terjadi karena kolaps gelembung kolektif (CCP), dengan kata lain, runtuhnya kaskade.
Tetapi KKP hanyalah puncak dari gunung es, dan mekanisme itu sendiri, yang meluncurkannya ke dalam tindakan, tidak diketahui. Ini adalah bagaimana memahami bahwa rantai domino dihancurkan, karena domino jatuh satu sama lain, tetapi tidak tahu yang mana yang pertama dan bahwa itu terjatuh (alegori kasar, tetapi dapat dimengerti).
Dalam karya ini, para ilmuwan menggunakan busa quasi-dua-dimensi sebagai "percobaan", di tepi yang 1 gelembung pecah. Para ilmuwan mengamati kaskade penghancuran seluruh busa menggunakan kamera berkecepatan tinggi, setelah itu mereka menganalisis catatan. Dua mekanisme propagasi runtuh telah ditetapkan: propagasi dan penetrasi.
Dengan meningkatnya
fr (fraksi volume), tetesan cairan semakin sulit menembus film cair, yang menyebabkan tetesan memantul dari film karena elastisitasnya atau penyerapan tetesan oleh film. Lebih lanjut tentang ini dalam hasil pengamatan.
Hasil penelitian
Proses CCP (kolaps gelembung kolektif) diamati pada nilai
φ yang berbeda. Jadi, misalnya, gambar
1a menunjukkan CCP dari waktu
t = 0 ms hingga 3,12 ms untuk
φ = 0,0099.
Gambar No. 1
Proses CCP ( t = 0 ... 3,12 ms, φ = 0,0099).Jarum kaca kapiler digunakan untuk menusuk gelembung. Runtuhnya gelembung pada awal proses PKC diamati di sepanjang tepi luar busa, yang para ilmuwan memutuskan untuk menyebut efek permukaan. Setelah ini, dua proses CCP mulai di dalam busa itu sendiri, sehingga untuk berbicara dalam volume totalnya: penyebaran dan penetrasi.
Ketika film cair robek, ia dengan cepat diserap oleh saluran Plateau.
Menurut hukum Plateau, tepi-tepi gelembung dalam busa adalah saluran yang diisi dengan media dispersi. Hanya tiga film yang terletak pada sudut 120 ° yang dapat bertemu dalam satu saluran.
Struktur sel (gelembung) busa.
Karena efek penyerapan yang kuat, film cair berikutnya yang berkumpul di saluran Plateau yang sama juga rusak (lingkaran merah pada
1a ). Proses sekuensial (cascade) dari penghancuran gelembung busa ini adalah salah satu dari proses perbanyakan CCP (
1b ).
Pada saat yang sama, setetes cairan (lingkaran biru dan hijau pada
1a ) dilepaskan pada saat penyerapan film pecah oleh saluran Plateau. Tetes jatuh ke busa ke dalam film dihapus oleh cairan (panah pada
1a ). Kecepatan tetesan ini (V
d ) adalah sekitar 3 m / s. Proses PKC ini, yang disebut penetrasi, mengarah pada penghancuran film yang dihapus (
1b ).
Runtuh total terjadi selama penghancuran beragam film gelembung melalui kedua varian PKC.
Jika
φ ditingkatkan menjadi ≥ 0,015, maka kemungkinan setetes cairan pada saat penghancuran film gelembung sangat berkurang. Dan kecepatan tetesan yang muncul juga menjadi kurang, yang membuatnya lebih sulit bagi tetesan untuk menembus film yang dihilangkan. Alih-alih penetrasi, setetes memantul.
Jatuhkan rebound (bukan penetrasi) di φ ≥ 0,015.
Gambar No. 2Gambar di atas menunjukkan bagaimana setetes memantul dari film dalam 30 ms (garis putus-putus adalah lintasan setetes).
Dengan mengukur kecepatan tetesan (V
d ) setelah setiap pantulan, kita dapat memetakan ketergantungan V
d pada jumlah pukulan (n
i ).
Gambar 3: Kecepatan versus jumlah bouncing.Seperti yang diharapkan, kecepatan tetesan berkurang dengan meningkatnya jumlah pantulan. Dalam hal ini, dimungkinkan untuk menentukan koefisien pemulihan film sebagai
e = | V
d (i + 1) | / | V
d (i) |, di mana | V
d (i) | - Kecepatan tetesan setelah rebound ke-i. Dengan menggunakan data pengamatan, ditemukan bahwa
e = 0,50 ~ 0,74. Setelah rebound, drop diserap oleh film cair.
Dengan peningkatan lebih lanjut dalam
φ (> 0,022), film berhasil diserap oleh saluran Plateau, tetapi tetes cairan tidak muncul. Gelembung di sepanjang tepi busa meledak dari efek permukaan bahkan pada nilai
φ yang lebih tinggi, tetapi jumlah gelembung tersebut sangat berkurang, dan proses keruntuhan cepat berhenti. Dengan kata lain, proses PKC tidak terjadi.
Selanjutnya, para ilmuwan menyelidiki ketergantungan dari jumlah gelembung yang meledak pada indeks φ. Himpunan gelembung runtuh (N
total ) terdiri dari mereka yang meledak di tepi busa karena efek permukaan, dan mereka yang runtuh karena penetrasi dan propagasi.
Juga dalam perhitungan, indikator N
bagian dalam digunakan - jumlah gelembung runtuh dalam volume busa dikurangi tepi luar. Penghancuran gelembung dihitung dari gelembung pertama ke gelembung terakhir, yang memakan waktu sekitar 0,04 detik.
Gambar No. 4Gambar di atas menunjukkan N
total (merah) dan N
dalam (biru) relatif terhadap
φ . Segitiga, lingkaran, dan bujur sangkar sesuai dengan N
total atau N
bagian dalam pada
Nf ~ 200 untuk konsentrasi gliserol masing-masing 9,4%, 17,8% dan 29% (
Nf adalah jumlah total gelembung dalam busa).
Seperti yang dapat kita lihat dari grafik, nilai N
total dan N
inner berkurang dengan meningkatnya
φ . Menerapkan
hukum kekuatan * , para ilmuwan menemukan bahwa N
bagian dalam ∝
φ −γ e pada γ
e = 2.3 ± 0.36.
Hukum kekuasaan * adalah ketergantungan fungsional dari dua kuantitas ketika perubahan dalam satu menyebabkan perubahan proporsional dalam yang lain.
Juga ditemukan bahwa indikator N
total dan N
dalam tidak tergantung pada konsentrasi gliserol, jika di bawah 29%. Jika konsentrasi meningkat hingga 40%, maka akan semakin sulit menembus gelembung, dan proses PKC tidak terjadi.
Studi tentang runtuh gelembung dalam kasus busa yang lebih besar (
Nf ~ 500) menunjukkan bahwa jumlah mereka tidak tergantung pada jumlah total gelembung (berlian pada grafik di atas), yaitu,
total N dan N
bagian dalam tidak tergantung dari N
f .
Seperti yang kita ingat, jarum kaca digunakan untuk menusuk. Itu dilapisi dengan minyak silikon untuk meningkatkan penindikan. Para ilmuwan telah memeriksa bagaimana ini mempengaruhi nilai-nilai N
total dan N
bagian dalam dengan membuat tusukan tanpa pelumasan. Dengan demikian, proses PKC muncul secara spontan. Namun, seperti yang diharapkan, penggunaan pelumas tidak mempengaruhi jumlah gelembung yang runtuh dan proses CCC secara keseluruhan.
Jika
φ kecil, maka bentuk setiap gelembung adalah anisotropik, dan gelembung yang terdistorsi membentuk semacam rantai. Gelembung dengan bentuk anisotropik dan / atau ukuran besar memiliki energi permukaan berlebih yang besar, oleh karena itu, mereka lebih mudah dihancurkan.
Mengingat hal ini, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa hubungan antara PKC dan bentuk gelembung. Untuk ini, parameter λ
i digunakan sebagai karakteristik anisotropi gelembung
i . λ
i ditentukan oleh rumus berikut:
di mana
j adalah piksel di tepi gelembung,
n adalah jumlah total piksel
j , r
j adalah jarak antara pusat gelembung
i dan piksel
j ,
r adalah jarak rata-rata r
j .
λ
i akan sama dengan 0 jika gelembung
i bulat. Jika anisotropik, maka λ
i > 0.
Gambar No. 5Gambar
5a menunjukkan busa di
φ = 0,0086 sebelum awal proses PKC. Gelembung diwarnai dari hitam (λ
i lebih) ke putih (λ
i kurang). Titik merah menunjukkan bahwa gelembungnya runtuh selama PKC.
Para ilmuwan telah menemukan bahwa gelembung di sebelah kiri dihancurkan secara merata. Grafik
5b menunjukkan distribusi probabilitas sebagai fungsi dari diameter rata-rata gelembung
i (d
i ) sebelum dan sesudah PEC dari semua gelembung. Diameter (d
i ) dihitung dengan rata-rata jarak antara pusat dan antarmuka gelembung. Seperti yang dapat kita lihat, bentuk distribusi probabilitas pada grafik setelah CCP sama dengan sebelum CCP.
Pada grafik
5c, rasio diameter setelah CCP (d
a ) dan ke CCP (d
b ). Jelas, d
a = d
b , yaitu, diameter gelembung tidak berubah selama runtuhnya kaskade.
Grafik
5d menunjukkan λ
i (karakteristik gelembung anisotropi) sebelum dan sesudah keruntuhan. Indikator ini juga tidak berubah, meskipun runtuhnya kaskade (λ
a (sebelum CKP) = λ
b (setelah CKP);
5e ).
Semua pengamatan ini menunjukkan bahwa bentuk gelembung tidak berubah karena kerusakan kaskade busa, dan juga bahwa bentuknya tidak mempengaruhi proses ini.
Faktor kemungkinan berikutnya yang mempengaruhi proses penghancuran busa adalah efek mekanis dari film gelembung sobek pada tetangganya. Untuk menentukan pengaruh faktor ini, para ilmuwan mengukur laju pecah film pada konsentrasi gliserol 17,8% menggunakan rumus V =
l /
t , di mana
l adalah panjang film dan
t adalah waktu yang diperlukan untuk menyerap film dari awal hingga akhir.
Gambar No. 6Grafik
6a menunjukkan ketergantungan V pada
φ dalam bentuk grafik logaritmik. Perhitungan menunjukkan bahwa V ~ 10 m / s pada konsentrasi gliserol 17,8% (lingkaran pada grafik). Dalam kasus konsentrasi gliserol 29%, tingkat praktis tidak berubah (kotak pada grafik).
Dengan meningkatnya
φ, kecepatan berkurang, karena film-film yang terbentuk selama pecah terpental dari saluran lain dan, sebagai akibatnya, diserap oleh mereka.
Hubungan antara kecepatan dan tekanan osmotik (
6b ) juga telah dipelajari.
Formula tekanan untuk busa dua dimensi adalah sebagai berikut:
di mana
σ adalah tegangan permukaan,
R adalah jari-jari rata-rata gelembung,
φ J adalah titik potong 0,16 dalam dua dimensi.
Dalam karya mereka, para ilmuwan menggunakan indikator berikut:
σ = 37 mN / m dan
R = 1,7 mm.
Jika kita mengasumsikan bahwa ketebalan lapisan film adalah 1 μm, maka ketergantungan proporsional dari V pada Π (
6b ) terlihat. Oleh karena itu, kekuatan pendorong penyerapan adalah tekanan negatif dalam film.
Akhirnya, para ilmuwan melakukan analisis rasio N
dalam dan kecepatan V (gambar di bawah).
Gambar No. 7Para ilmuwan telah menemukan bahwa indeks N
dalam meningkat secara signifikan dengan meningkatnya laju aliran film. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa proses penetrasi adalah elemen yang menentukan dalam proses keruntuhan busa umum.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca
laporan para ilmuwan .
Epilog
Dalam karya ini, para ilmuwan dapat menemukan bahwa pada saat penghancuran busa, peran utama dimainkan oleh dua proses - penyerapan dan distribusi. Selain itu, para ilmuwan menemukan bahwa peningkatan proporsi cairan, kecepatan tetesan yang terjadi selama penghancuran film gelembung menurun. Karena itu, lebih sulit untuk menghancurkan semua busa. Alih-alih menyerap setetes oleh film lain yang jauh, setetes tetes terjadi, dan hanya kemudian penyerapan.
Para ilmuwan bermaksud untuk mempelajari busa lebih lanjut untuk memahami kekuatan dan kelemahannya. Menurut mereka, pekerjaan ini akan meningkatkan busa, membuatnya lebih tahan lama dan stabil. Dan keuntungan seperti itu dapat berguna baik dalam kehidupan sehari-hari maupun di laboratorium yang terlibat dalam produksi dan studi berbagai zat, bahan kimia dan biologi, bahan dan hal-hal lainnya.
Siapa sangka pada abad ke-21, para ilmuwan sebenarnya akan mempelajari busa bir, mencari cara untuk membuatnya lebih kuat. Tapi, betapapun anehnya kedengarannya, pengetahuan apa pun penting, pengetahuan apa pun dibutuhkan. Memahami dunia di sekitar kita dan segala sesuatu yang mengisinya memungkinkan kita untuk lebih baik menggunakan apa yang diciptakan atau ditemukan sejak lama, atau untuk memperbaikinya sesuai dengan kondisi kehidupan kita yang terus berubah.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan! :)
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?