Хабрахабр

Физика пузырьков: поиск механизма разрушения пены

С малых лет мы пытаемся понять естество всего, что нас окружает. Самые простые вещи могут иметь самые необычные и даже неизученные аспекты. Вырастая, мы не так сильно интересуемся подобными вещами, уделяя внимание чему-то более важному, по нашему мнению. Как работает лампочка в люстре, почему небо синее, откуда дождь идет, почему лимон кислый, а сахар сладкий — это лишь малый список вопросов, которые может задать любопытный ребенок за очень малый промежуток времени. Но понимание природы простых, на первый взгляд, вещей может иметь большую пользу.

Вы когда-нибудь задумывались, почему пенка в вашем капучино не такая долговечная, как хотелось бы? Сегодня мы познакомимся с весьма необычным исследованием, в котором ученые пытались понять механизм разрушения пены. Какая именно череда событий приводит к разрушению структуры пены, что является катализатором этого процесса и какая польза от таких знаний? Если вам говорили, что вы просто не умеете ее готовить, то теперь у вас будет весьма научный контраргумент. Поехали. Ответы на эти и другие вопросы мы найдем в докладе исследовательской группы.

Основа исследования

Какой бы простой на первый взгляд не казалась пена, она все же остается сложной системой с газовой дисперсной фазой и жидкой/твердой дисперсионной средой. Если говорить о самой распространенной пене, состоящей из пузырьков газа и жидких пленок, то такая структура считается неравновесной системой. Также пену можно назвать и полидисперсной системой из-за того, что составные пузырьки могут быть совершенно разного размера. Кроме того, пена является очень неустойчивой и от того очень недолговечной системой ввиду того, что плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа.

Они присутствуют в повседневной жизни (взбитые сливки, пена для бритья и т.д.), в биотехнологиях (пены в биореакторах), в химических технологиях (пенная флотация) и даже в фармакологии. Несмотря на это пены достаточно распространены в жизни человека и применяются в самых разных сферах. Если же изучить механизм, скрывающийся за процессом разрушения пены, то можно сделать ее более долговечной, как заявляют сами исследователи.

Укрупнение — это процесс уменьшения числа пузырьков, но увеличение их размера, что вызвано разным давлением между пузырьками. В своем труде они указывают на три основных процесса, регулирующих динамику пены: укрупнение, осушение и разрушение. Осушение — это процесс утончения пленок, то есть стенок пузырьков, за счет стока воды под воздействием гравитации.

Предыдущие исследования показали, что разрушение пузырька происходит при достижении нижнего предела коалесценции* в объемной доле жидкости Эти два этапа жизни пены ранее уже были достаточно хорошо изучены, как, в общем, и процесс разрушения.

Коалесценция* — слияние частиц внутри подвижной среды (например, пузырьков в пене).

Также была установлена взаимосвязь между разрушением пузырька и перегруппировкой Т1* путем введения дополнительного воздуха в систему.

Процесс Т1* или перегруппировка Т1* — процесс изменения формы клеточных материалов (пена, биологические ткани и т.д.), состоящих из капель, пузырьков, клеток.

А и B контактируют, C и D расположены по обе стороны от АB, то есть не контактируют между собой. В начале процесса имеется 4 объекта (А, B, C и D). Разрыв связи между А и B с последующим установлением связи между C и D — это и есть процесс Т1.

В момент разрушения пузырька можно было услышать легкий «хлопок» (высвобождение газа). Измерив и проанализировав акустические данные в момент разрушения пены, ученые пришли к выводу, что этот процесс возникает из-за коллективного коллапса пузырьков (ККП), другими словами каскадного коллапса.

Это как понимать, что цепочка домино разрушается, потому что доминошки падают друг на друга, но не знать какая из них была первой и что ее опрокинуло (грубоватая, но понятная аллегория). Но ККП является лишь верхушкой айсберга, а сам механизм, запускающий его в действие, неизвестен.

Каскад разрушения всей пены ученые наблюдали с помощью высокоскоростной камеры, после чего провели анализ записей. В данном труде ученые использовали в качестве «подопытного» квазидвумерную пену, на краю которой лопается 1 пузырек. Было установлено два механизма распространения коллапса: распространение и проникновение.

Более подробно об этом в результатах наблюдений. По мере увеличения φ (объёмной доли), капелькам жидкости становится все труднее проникать сквозь жидкие пленки, что приводит к отскоку каплей от пленок из-за их упругости или поглощение капель пленкой.

Результаты исследования

Процесс ККП (коллективного коллапса пузырьков) наблюдался при разных значениях φ. Так, к примеру, на изображении показан ККП от времени t = 0 мс до 3,12 мс для φ = 0,0099.


Изображение №1


Процесс ККП (t = 0 … 3,12 мс, φ = 0,0099).

Коллапс пузырьков в начале процесса ККП наблюдается по внешним краям пены, что ученые решили назвать поверхностным эффектом. Для прокола пузырька использовалась капиллярная стеклянная игла. Следом за этим начинаются два процесса ККП внутри самой пены, так сказать в ее общем объеме: распространение и проникновение.

Когда жидкая пленка разрывается, она быстро поглощается каналом Плато.

В одном канале могут сходиться только три пленки, расположенные под углами 120°. По закону Плато ребрами пузырька в пене являются каналы, заполненные дисперсионной средой.


Строение ячейки (пузырька) пены.

Из-за сильного поглощающего воздействия следующая жидкая пленка, сходящаяся в том же канале Плато, также разрывается (красный круг на ). Этот последовательный (каскадный) процесс разрушения пузырьков пены и является одним из процессов ККП — распространение (1b).

Капли попадают внутрь пены в удаленную жидкостью пленку (стрелки на ). Одновременно с этим в момент поглощения каналом Плато лопнувшей пленки выделяется капля жидкости (синий и зеленый круги на ). Этот процесс ККП, именуемый проникновением, приводит к разрушению удаленных пленок (1b). Скорость этих капель (Vd) составляла примерно 3 м/с.

Полный коллапс происходит при многогранных разрушениях пленок пузырьков через оба варианта ККП.

И скорость все же возникших капель также становится меньше, от чего каплям становится труднее проникнуть в удаленные пленки. Если же увеличить φ до ≥ 0,015, то вероятность возникновения капли жидкости в момент разрушения пленки пузырька сильно снижается. Вместо проникновения происходит отскок капли.


Отскок капли (вместо проникновения) при φ ≥ 0,015.


Изображение №2

На изображении выше показано как капля отскакивает от пленок в течение 30 мс (пунктирная линия это траектория движения капли).

Измерив скорости капли (Vd) после каждого отскока, можно построить график зависимости Vd от числа ударов (ni).


Изображение №3: зависимость скорости от числа отскоков.

В таком случае можно определить коэффициент восстановления пленки как e = |Vd(i + 1)| / |Vd(i)|, где |Vd(i)| — скорость капли после i-го отскока. Как и ожидалось, скорость капли уменьшается с увеличением числа отскоков. После i-го отскока капля впитывается жидкой пленкой. Используя данные наблюдений, было установлено, что е = 0,50 ~ 0,74.

022) пленка успешно поглощается каналом Плато, но жидкие капли не возникают. При дальнейшем увеличении φ (> 0. Другими словами, процесс ККП не возникает. Пузырьки по краю пены лопаются от поверхностного эффекта и при более высоких показателях φ, но число таких пузырьков сильно снижается, а сам процесс коллапса быстро останавливается.

Совокупность разрушающихся пузырьков (Ntotal) состоит из тех, что лопаются на краю пены из-за поверхностного эффекта, и тех, что разрушаются за счет проникновения и распространения. Далее ученые исследовали зависимость числа лопающихся пузырьков от показателя φ.

Подсчет разрушающихся пузырьков осуществлялся от первого и до последнего пузырька, что заняло примерно 0. Также в расчетах применяется показатель Ninner — число разрушающихся пузырьков в объеме пены за вычетом внешних краев. 04 секунды.


Изображение №4

Треугольники, кружки и квадраты соответствуют Ntotal или Ninner при Nf ~ 200 для концентраций глицерина 9,4%, 17,8% и 29% соответственно (Nf — общее число пузырьков в пене). На изображении выше показаны значения Ntotal (красный цвет) и Ninner (синий цвет) относительно φ.

Применив степенной закон*, ученые установили, что Ninner ∝ φ−γe при γe = 2,3 ± 0,36. Как мы видим из графика, значение Ntotal и Ninner уменьшается при увеличении φ.

Степенной закон* — функциональная зависимость двух величин, когда изменение одной приводит к пропорциональному изменению другой.

Также было установлено, что показатели Ntotal и Ninner не зависят от концентрации глицерина, если она ниже 29%. Если же концентрация увеличивается до 40%, то проколоть пузырек становится сложнее, а процесс ККП не возникает.

Исследование разрушающихся пузырьков в случае более крупной пены (Nf ~ 500) показало, что их число не зависит от общего числа пузырьков (ромбы на графике выше), то есть Ntotal и Ninner не зависят от Nf.

Она была покрыта силиконовой смазкой для улучшения прокалывания. Как мы помним, для прокола использовалась стеклянная игла. Таким образом процесс ККП возникал спонтанно. Ученые проверили как это влияет на значение Ntotal и Ninner, совершив проколы без смазки. Однако, как и следовало ожидать, использование смазки никак не повлияло на число коллапсирующих пузырьков и на процесс ККП в целом.

Пузырьки анизотропной формы и/или большого размера имеют большую избыточную поверхностную энергию, следовательно, они легче разрушаются. Если же φ мало, то форма каждого пузырька анизотропная, и искаженные пузырьки формируют некое подобие цепочки.

Для этого был использован параметр λi как характеристика анизотропии пузырька i. Учитывая это, ученые решили проверить взаимосвязь ККП и формы пузырьков. λi определяется по следующей формуле:


где j — пиксель на краю пузырька, n — общее число пикселей j, rj — расстояние между центром пузырька i и пикселем j, r — среднее расстояние rj.

Если же он анизотропный, то λi > 0. λi будет равна 0, если пузырек i круглой формы.


Изображение №5

0086 до начала процесса ККП. На изображении показана пена при φ = 0. Красные точки указывают, что пузырьки разрушились во время ККП. Пузырьки окрашиваются от черного (λi больше) до белого (λi меньше).

График 5b показывает распределение вероятностей в зависимости от среднего диаметра пузырька i (di) до и после ККП всех пузырьков. Ученые обнаружили, что расположенные слева пузырьки равномерно разрушились. Как мы видим, форма распределения вероятности на графике после ККП такая же, как и до ККП. При этом диаметр (di) был рассчитан путем усреднения расстояния между центром и интерфейсом пузырька.

Очевидно, что da = db, то есть диаметр пузырьков не изменялся во время каскадного коллапса. На графике соотношение диаметра после ККП (da) и до ККП (db).

Этот показатель также не изменился, несмотря на каскадный коллапс (λa (до ККП) = λb (после ККП); 5e). График 5d показывает λi (характеристика анизотропии пузырька) до и после коллапса.

Все эти наблюдения говорят о том, что форма пузырьков не меняется за счет каскадного разрушения пены, а также о том, что форма не влияет на этот процесс.

Для определения влияния этого фактора ученые измерили скорость разрыва пленки при концентрации глицерина 17. Следующий вероятный фактор, влияющий на процесс разрушения пены, это механическое воздействие разорванной пленки пузырька на своих соседей. 8 % по формуле V = l / t, где l — длина пленки, а t — время, необходимое для поглощения пленки, от начала до конца.


Изображение №6

Расчеты показывают, что V ~ 10 м/с при концентрации глицерина в 17. На графике показано зависимость V от φ в виде логарифмического графика. В случае концентрации глицерина 29% скорость практически не менялась (квадраты на графике). 8% (круги на графике).

При увеличении φ скорость снижается, за счет чего образующиеся во время разрыва пленки отскакивают от других каналов и, в итоге, поглощаются ими.

Также была изучена взаимосвязь между скоростью и осмотическим давлением (6b).

Формула давления для двумерной пены выглядит следующим образом:


где σ — поверхностное натяжение, R — средний радиус пузырька, φJ — точка заклинивания, равная 0,16 в двух измерениях.

В своем труде ученые применили такие показатели: σ = 37 мН/м и R = 1,7 мм.

Следовательно, движущей силой поглощения является отрицательное давление в пленке. Если предположить, что толщина слоя пленки составляет 1 мкм, то видна пропорциональная зависимость V от Π (6b).

Напоследок ученые провели анализ соотношения Ninner и скорости V (изображение ниже).


Изображение №7

Таким образом, можно сделать вывод, что процесс проникновения является решающим элементом в процессе общего коллапса пены. Ученые выяснили, что показатель Ninner сильно увеличивается при росте скорости потока пленки.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые смогли выяснить, что в момент разрушения пены основную роль играют два процесса — поглощение и распространение. Кроме этого ученые установили, что увеличение доли жидкости скорость капель, возникающих при разрушении пленки пузырька, снижается. Следовательно, сложнее разрушить всю пену. Вместо поглощения капли другой отдаленной пленкой происходит многократный отскок капли, и только потом поглощение.

По их мнению, данный труд позволит усовершенствовать пену, сделав ее более долговечной и устойчивой. Ученые намерены и дальше изучать пену, дабы понять ее слабые и сильные стороны. А такие преимущества могут пригодиться как в быту, так и в лабораториях, занимающихся производством и изучением различных биологических и химических веществ, материалов и прочего.

Но, как бы странно это не звучало, любые знания важны, любые знания нужны. Кто бы мог подумать, что в XXI веке ученые будут изучать фактически пивную пену, выискивая способы сделать ее сильнее. Понимание окружающего мира и всего, что его наполняет, позволяет нам лучше использовать то, что было изобретено или открыто уже давно, или усовершенствовать его в соответствии с постоянно меняющимися условиями нашей жизни.

🙂 Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята!

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2. 2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. Dell R420 — 2x E5-2430 2. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть