As coisas mais simples podem ter os aspectos mais incomuns e até inexplorados. Desde tenra idade, tentamos entender a natureza de tudo o que nos rodeia. Como a luz do lustre funciona, por que o céu é azul, onde chove, por que o limão é azedo e o açúcar é doce - essa é apenas uma pequena lista de perguntas que uma criança curiosa pode fazer em um período muito curto de tempo. Crescendo, não estamos muito interessados nessas coisas, prestando atenção a algo mais importante, em nossa opinião. Mas entender a natureza das coisas simples, à primeira vista, pode ser de grande benefício.
Hoje vamos nos familiarizar com um estudo muito incomum no qual os cientistas tentaram entender o mecanismo de destruição da espuma. Você já se perguntou por que a espuma do seu cappuccino não é tão durável quanto gostaríamos? Se lhe dissessem que simplesmente não sabia como cozinhá-lo, agora você terá um contra-argumento muito científico. Qual sequência de eventos leva à destruição da estrutura da espuma, qual é o catalisador desse processo e qual a utilidade desse conhecimento? Encontraremos respostas para essas e outras perguntas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá
Base de estudo
Não importa quão simples a espuma possa parecer à primeira vista, ela ainda permanece um sistema complexo com uma fase dispersa por gás e um meio de dispersão líquido / sólido. Se falamos da espuma mais comum, composta por bolhas de gás e filmes líquidos, essa estrutura é considerada um sistema sem equilíbrio. A espuma também pode ser chamada de sistema polidisperso devido ao fato de que as bolhas compostas podem ter tamanhos completamente diferentes. Além disso, a espuma é muito instável e, portanto, possui um sistema de vida muito curta, devido ao fato de a densidade do líquido ser centenas ou até milhares de vezes maior que a densidade do gás.
Apesar disso, as espumas são bastante comuns na vida humana e são usadas em vários campos. Eles estão presentes na vida cotidiana (chantilly, espuma de barbear, etc.), na biotecnologia (espuma nos biorreatores), na tecnologia química (flutuação da espuma) e até na farmacologia. Se estudarmos o mecanismo por trás do processo de destruição da espuma, podemos torná-lo mais durável, como dizem os próprios pesquisadores.
Em seu trabalho, eles apontam para três processos principais que regulam a dinâmica da espuma: ampliação, drenagem e destruição. O aumento é o processo de redução do número de bolhas, mas aumentando seu tamanho, causado por diferentes pressões entre as bolhas. A drenagem é o processo de afinamento dos filmes, isto é, das paredes das bolhas, devido ao fluxo de água sob a influência da gravidade.
Esses dois estágios da vida da espuma já foram estudados muito bem, como, em geral, o processo de destruição. Estudos anteriores mostraram que a destruição da bolha ocorre quando o limite inferior de
coalescência * na fração volumétrica do líquido é atingido.
Coalescência * - a fusão de partículas em um meio móvel (por exemplo, bolhas na espuma).
Também foi estabelecida uma relação entre a destruição da bolha e o
rearranjo de T1 * , introduzindo ar adicional no sistema.
O processo T1 * ou rearranjo T1 * é o processo de alterar a forma dos materiais celulares (espuma, tecidos biológicos, etc.), consistindo de gotas, bolhas, células.
No início do processo, existem 4 objetos (A, B, C e D). A e B estão em contato, C e D estão localizados em ambos os lados de AB, ou seja, eles não estão em contato um com o outro. A quebra da conexão entre A e B com o subsequente estabelecimento da comunicação entre C e D - este é o processo T1.
No momento da destruição da bolha, podia-se ouvir um ligeiro "estalo" (liberação de gás). Ao medir e analisar os dados acústicos no momento da destruição da espuma, os cientistas chegaram à conclusão de que esse processo ocorre devido ao colapso coletivo das bolhas (PCC), ou seja, ao colapso em cascata.
Mas o KKP é apenas a ponta do iceberg, e o próprio mecanismo, que o aciona, é desconhecido. É assim que se entende que a cadeia de dominós é destruída, porque os dominós caem um sobre o outro, mas não sabem qual foi o primeiro e que foi derrubado (uma alegoria grosseira, mas compreensível).
Neste trabalho, os cientistas usaram espuma quase bidimensional como um "experimental", na borda da qual uma bolha explode. Os cientistas observaram a cascata de destruição de toda a espuma usando uma câmera de alta velocidade, após a qual analisaram os registros. Dois mecanismos de propagação de colapso foram estabelecidos: propagação e penetração.
À medida que
φ (fração de volume) aumenta, torna-se cada vez mais difícil as gotículas de líquido penetrarem nos filmes líquidos, o que faz com que a gota ricocheteie nos filmes devido à sua elasticidade ou à absorção de gotas pelo filme. Mais sobre isso nos resultados das observações.
Resultados da pesquisa
O processo de PCC (colapso coletivo das bolhas) foi observado em diferentes valores de
φ . Assim, por exemplo, a imagem
1a mostra o PCC do tempo
t = 0 ms a 3,12 ms para
φ = 0,0099.
Imagem Nº 1
Processo CCP ( t = 0 ... 3,12 ms, φ = 0,0099).Uma agulha de vidro capilar foi usada para perfurar a bolha. O colapso das bolhas no início do processo do PCC é observado ao longo das bordas externas da espuma, que os cientistas decidiram chamar de efeito de superfície. Depois disso, dois processos do PCC começam dentro da própria espuma, por assim dizer em seu volume total: propagação e penetração.
Quando o filme líquido é rasgado, é rapidamente absorvido pelo canal Plateau.
De acordo com a lei de Plateau, as bordas da bolha na espuma são canais preenchidos com um meio de dispersão. Apenas três filmes localizados em ângulos de 120 ° podem convergir em um canal.
A estrutura da célula (bolha) da espuma.
Devido ao forte efeito de absorção, o próximo filme líquido convergindo no mesmo canal do Plateau também se rompe (círculo vermelho em
1a ). Esse processo seqüencial (em cascata) de destruição de bolhas de espuma é um dos processos de propagação do PCC (
1b ).
Ao mesmo tempo, uma gota de líquido (círculos azuis e verdes em
1a ) é liberada no momento da absorção do filme de ruptura pelo canal Plateau. Gotas caem na espuma no filme removido pelo líquido (setas em
1a ). A velocidade dessas quedas (Vd) foi de aproximadamente 3 m / s. Esse processo do PCC, chamado penetração, leva à destruição dos filmes removidos (
1b ).
O colapso completo ocorre durante a destruição multifacetada dos filmes de bolhas através de ambas as variantes do PCC.
Se increased
for aumentado para ≥ 0,015, a probabilidade de uma gota de líquido no momento da destruição do filme de bolhas será bastante reduzida. E a velocidade das gotículas que surgiram também se torna menor, o que dificulta a penetração das gotículas nos filmes removidos. Em vez de penetração, uma gota salta.
Retirada da queda (em vez de penetração) em ≥ 0,015.
Imagem No. 2A imagem acima mostra como uma gota rebate nos filmes em até 30 ms (a linha tracejada é a trajetória da queda).
Medindo a velocidade da gota (V
d ) após cada rebote, podemos traçar a dependência de V
d do número de golpes (n
i ).
Imagem 3: Velocidade versus número de rejeições.Como esperado, a velocidade da gota diminui com o aumento do número de saltos. Nesse caso, é possível determinar o coeficiente de recuperação do filme como
e = | V
d (i + 1) | / | V
d (i) |, em que | V
d (i) | - velocidade das gotículas após o i-ésimo rebote. Usando dados observacionais, verificou-se que
e = 0,50 ~ 0,74. Após o i-ésimo rebote, a gota é absorvida pelo filme líquido.
Com um aumento adicional de
φ (> 0,022), o filme é absorvido com sucesso pelo canal Plateau, mas não ocorrem quedas de líquido. As bolhas ao longo da borda da espuma surgem do efeito da superfície, mesmo com valores mais altos de
φ , mas o número dessas bolhas é bastante reduzido e o processo de colapso pára rapidamente. Em outras palavras, o processo do PCC não ocorre.
Em seguida, os cientistas investigaram a dependência do número de bolhas estouradas no índice φ. O conjunto de bolhas em colapso (N
total ) consiste naquelas que estouram na borda da espuma devido ao efeito da superfície e nas que colapsam devido à penetração e propagação.
Também nos cálculos, o indicador N
interno é usado - o número de bolhas em colapso no volume de espuma menos as bordas externas. A destruição das bolhas foi contada da primeira à última bolha, o que levou cerca de 0,04 segundos.
Imagem No. 4A imagem acima mostra N
total (vermelho) e N
interno (azul) em relação a
φ . Triângulos, círculos e quadrados correspondem a N
total ou N
interno a N
f ~ 200 para concentrações de glicerol de 9,4%, 17,8% e 29%, respectivamente (N
f é o número total de bolhas na espuma).
Como podemos ver no gráfico, o valor de N
total e N
interno diminui com o aumento de
φ . Aplicando a
lei da
potência * , os cientistas descobriram que N
interno at
φ −γ e em γ
e = 2,3 ± 0,36.
A lei do poder * é a dependência funcional de duas quantidades quando uma mudança em uma leva a uma mudança proporcional na outra.
Verificou-se também que os indicadores N
total e N
interno não dependem da concentração de glicerol, se estiver abaixo de 29%. Se a concentração aumentar para 40%, torna-se mais difícil perfurar a bolha e o processo do PCC não ocorre.
O estudo de bolhas em colapso no caso de uma espuma maior (N
f ~ 500) mostrou que seu número não depende do número total de bolhas (diamantes no gráfico acima), ou seja, N
total e N
interno são independentes de N
f .
Como lembramos, uma agulha de vidro foi usada para perfurar. Foi revestido com graxa de silicone para melhorar a perfuração. Os cientistas verificaram como isso afeta os valores de N
total e N
interno , fazendo perfurações sem lubrificação. Assim, o processo do PCC surgiu espontaneamente. No entanto, como seria de esperar, o uso do lubrificante não afetou o número de bolhas em colapso e o processo do CCC como um todo.
Se
φ for pequeno, o formato de cada bolha é anisotrópico e as bolhas distorcidas formam um tipo de corrente. Bolhas de forma anisotrópica e / ou tamanho grande têm um excesso de energia superficial excessiva, portanto, são mais facilmente destruídas.
Diante disso, os cientistas decidiram verificar a relação entre o PCC e o formato das bolhas. Para isso, o parâmetro λ
i foi utilizado como característica da anisotropia da bolha
i . λ
i é determinado pela seguinte fórmula:
onde
j é o pixel na borda da bolha,
n é o número total de pixels
j , r
j é a distância entre o centro da bolha
i e o pixel
j ,
r é a distância média r
j .
λ
i será igual a 0 se a bolha
i for redonda. Se for anisotrópico, então
i > 0.
Imagem No. 5A imagem
5a mostra a espuma em
φ = 0,0086 antes do início do processo do PCC. As bolhas são coloridas de preto (λi mais) a branco (λi menos). Pontos vermelhos indicam que as bolhas entraram em colapso durante o PCC.
Os cientistas descobriram que as bolhas à esquerda são destruídas uniformemente. O gráfico
5b mostra a distribuição de probabilidade em função do diâmetro médio da bolha
i (
di ) antes e depois da PEC de todas as bolhas. O diâmetro (
di ) foi calculado pela média da distância entre o centro e a interface da bolha. Como podemos ver, a forma da distribuição de probabilidade no gráfico após o PCC é a mesma de antes do PCC.
No gráfico
5c, a razão do diâmetro após o PCC (d
a ) e o PCC (d
b ). Obviamente, d
a = d
b , ou seja, o diâmetro das bolhas não mudou durante o colapso da cascata.
O gráfico
5d mostra λi (característica de anisotropia de bolha) antes e depois do colapso. Este indicador também não mudou, apesar do colapso em cascata (λ
a (antes da CKP) = λ
b (após a CKP);
5e ).
Todas essas observações indicam que a forma das bolhas não muda devido à destruição em cascata da espuma e também que a forma não afeta esse processo.
O próximo fator provável que afeta o processo de destruição da espuma é o efeito mecânico de um filme de bolhas rasgadas em seus vizinhos. Para determinar o efeito desse fator, os cientistas mediram a taxa de ruptura do filme a uma concentração de glicerol de 17,8% usando a fórmula V =
l /
t , em que
l é a duração do filme
et é o tempo necessário para absorver o filme do começo ao fim.
Imagem Nº 6O gráfico
6a mostra a dependência de V em
φ na forma de um gráfico logarítmico. Os cálculos mostram que V ~ 10 m / s a uma concentração de glicerol de 17,8% (círculos no gráfico). No caso de uma concentração de glicerol de 29%, a taxa praticamente não mudou (quadrados no gráfico).
Com o aumento de
φ, a velocidade diminui, devido à qual os filmes formados durante a ruptura ricocheteiam em outros canais e, como resultado, são absorvidos por eles.
A relação entre velocidade e pressão osmótica (
6b ) também foi estudada.
A fórmula de pressão para espuma bidimensional é a seguinte:
onde
σ é a tensão superficial,
R é o raio médio da bolha,
φ J é o ponto de cunha de 0,16 em duas dimensões.
Em seu trabalho, os cientistas usaram os seguintes indicadores:
σ = 37 mN / me
R = 1,7 mm.
Se assumirmos que a espessura da camada de filme é de 1 µm, é visível uma dependência proporcional de V em Π (
6b ). Portanto, a força motriz da absorção é a pressão negativa no filme.
Finalmente, os cientistas realizaram uma análise da proporção de N
interno e velocidade V (imagem abaixo).
Imagem Nº 7Os cientistas descobriram que o índice N
interno aumenta significativamente com o aumento da taxa de fluxo do filme. Assim, podemos concluir que o processo de penetração é um elemento decisivo no processo de colapso geral da espuma.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o
relatório dos cientistas .
Epílogo
Neste trabalho, os cientistas descobriram que, no momento da destruição da espuma, o papel principal é desempenhado por dois processos - absorção e distribuição. Além disso, os cientistas descobriram que um aumento na proporção de líquido diminui a velocidade das gotas que ocorrem durante a destruição do filme de bolhas. Portanto, é mais difícil destruir toda a espuma. Em vez de absorver uma gota por outro filme distante, ocorre uma gota múltipla da gota e somente então a absorção.
Os cientistas pretendem estudar mais a espuma para entender seus pontos fortes e fracos. Na sua opinião, este trabalho melhorará a espuma, tornando-a mais durável e estável. E essas vantagens podem ser úteis na vida cotidiana e em laboratórios envolvidos na produção e estudo de várias substâncias biológicas e químicas, materiais e outras coisas.
Quem pensaria que, no século XXI, os cientistas estudariam a espuma da cerveja, procurando maneiras de torná-la mais forte. Mas, não importa quão estranho possa parecer, qualquer conhecimento é importante, qualquer conhecimento é necessário. Compreender o mundo à nossa volta e tudo o que o preenche nos permite usar melhor o que foi inventado ou descoberto há muito tempo, ou melhorá-lo de acordo com as condições em constante mudança de nossas vidas.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)
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