Иллюстрации: Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports. Российские физики провели исследование движения пузырьков во влажной пене и установили, что многие пузырьки с существенным различием в размерах демонстрируют более хаотичное перемещение по сравнению с пузырьками одинакового размера. Ученые деформировали слой пены посредством добавления капель воды и наблюдали за процессом восстановления равновесия системы. Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Scientific Reports. Пена представляет собой жидкую или твердую среду, характеризующуюся большим количеством пузырьков газа. Несмотря на кажущуюся простоту, пена встречается в различных областях нашей жизни, от пищевых продуктов и напитков до косметики и строительных материалов. С точки зрения физики, пена обладает уникальными механическими свойствами: сочетанием эластичности, свойственной твердым материалам, и текучести, характерной для жидкостей.
(а) Схема эксперимента. Над пластинками с пеной размещена камера. (b) Состояние системы до введения жидкости, отмечено красной точкой. Видно, что система находится в потенциальной яме. (c) Сразу после впрыскивания жидкости. Схема возможных энергетических состояний изменилась, и система больше не находится в равновесии. (d) Система принимает новое равновесное состояние. Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports
Для эффективного использования пены в промышленном производстве необходимо глубокое понимание ее поведения в различных условиях. В связи с этим, ученые сосредоточились на исследовании мельчайших элементов пены – пузырьков: их количества, размеров и перемещения при деформации.
Пены делятся на три класса по возрастанию доли жидкости в них: сухие, влажные и пузырчатые. Физики уже знают, как меняются эластичность и текучесть при переходе от одного класса к другому. Они также выяснили, что эти изменения связаны с формой пузырьков: в сухой пене они напоминают многогранники, а в пузырчатой и влажной — сферы.
При этом у ученых пока мало информации о динамике пузырьков. До сих пор было неясно, как происходит их перераспределение, заставляющее пену принимать равновесное состояние после деформации.
Наоя Янагисава (Naoya Yanagisawa) и Ре Курита (Rei Kurita) из Токийского столичного университета экспериментально исследовали динамические свойства влажной пены.
Ученые начали с экспериментов с монодисперсной пеной, в которой все пузырьки имеют примерно одинаковый размер. Они поместили ее между двумя стеклянными пластинками. Получился слой пузырьков, который в условиях эксперимента считали двумерным. Чтобы изучить процесс перераспределения, к пене с помощью пипетки добавили 500 микролитров воды.
Добавление жидкости — щадящий метод внесения деформаций в систему, который сохраняет все пузырьки, но меняет условия, в которых они находятся. Это заставляет их перестраиваться и искать новое стабильное состояние.
Сначала пузырьки сместились около точки, в которую попала капля воды, а после вернулись в исходное положение. Это вызвало несколько коллективных перестановок в системе. Чтобы оценить эффект, оказанный впрыскиванием жидкости, ученые использовали две величины: вектор смещения и количество переместившихся пузырьков. Пузырек считали переместившимся, если изменились пузырьки, с которыми он находился в прямом контакте.
(a) График зависимости максимального вектора смещения пузырьков от времени. За t=0 принят момент впрыскивания жидкости. Зеленой стрелкой обозначен момент времени, когда местная доля жидкости в пене становится примерно постоянной, то есть когда эффект инъекции почти исчезает. (b) График зависимости количества переместившихся пузырьков от времени, разные цвета выборок соответствуют разным долям жидкости в пене, график для пены с самым высоким содержанием жидкости (0,11) — темно-зеленый. Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports
Изучив монодисперсные пены, ученые повторили эксперимент для полидисперсных пен с разными по размеру пузырьками. Благодаря камере, расположенной над стеклянными пластинками, им удалось зафиксировать и сравнить перераспределения.
Переорганизация пузырьков в монодисперсной пене после добавления капельки воды. Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports
Переорганизация пузырьков в полидисперсной пене после добавления капельки воды. Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports
Оказалось, что перераспределение пузырьков происходит по-разному в зависимости от диапазона их размеров. В монодисперсной пене пузырьки перемещаются, образуя гексагональные соты. В полидисперсных системах, где пузырьки сильно отличаются друг от друга, их движение более хаотично.
Понимание процессов внутри пенистых материалов важно из-за их широкого применения. Например, мы писали об эффективном теплоизоляторе из целлюлозной пены. А пенистые материалы, более устойчивые к повышению температуры и деформациям, ученые научились печатать на 3D-принтере.
Автор: Екатерина Назарова
Источник: https://nplus1.ru/
