Фізики досліджували рух бульбашок у вологій пені і з'ясували, що бульбашки, які сильно відрізняються за розміром, переміщаються більш хаотично, ніж однакові. Для цього вчені деформували шар піни, додаючи до нього краплі води, і спостерігали, як система поверталася в рівновагу. Стаття опублікована в журналі.
Піна - це рідке або тверде середовище з великою кількістю бульбашок газу. На перший погляд піна не здається чимось незвичайним, вона зустрічається в їжі і напоях, косметиці, будівельних матеріалах. Але з точки зору фізики піна має унікальні механічні властивості. У ній поєднуються еластичність, властива твердим матеріалам, і плинність, характерна для рідин.
Еластичність і плинність - макроскопічні властивості, але вони визначаються мікроскопічними параметрами. Щоб зрозуміти, як поводиться піна в різних умовах, і ефективно використовувати її в промисловості, потрібно вивчити найдрібніші бульбашки: їх кількість, розміри, переміщення при деформації.
Піни діляться на три класи за зростанням частки рідини в них: сухі, вологі та бульбашкові. Фізики вже знають, як змінюються еластичність і плинність при переході від одного класу до іншого. Вони також з'ясували, що ці зміни пов'язані з формою бульбашок: в сухій пені вони нагадують багатогранники, а в бульбашковій і вологій - сфери.
При цьому у вчених поки мало інформації про динаміку бульбашок. Досі було неясно, як відбувається їх перерозподіл, що змушує піну приймати рівноважний стан після деформації.
Наоя Янагісава (Naoya Yanagisawa) і Ре Куріта (Rei Kurita) з Токійського столичного університету експериментально досліджували динамічні властивості вологої піни.
Вчені почали з експериментів з монодисперсною піною, в якій всі бульбашки мають приблизно однаковий розмір. Вони помістили її між двома скляними платівками. Вийшов шар бульбашок, який в умовах експерименту вважали почесним. Щоб вивчити процес перерозподілу, до пені за допомогою піпетки додали 500 мікролітрів води.
Додавання рідини - щадний метод внесення деформацій у систему, який зберігає всі бульбашки, але змінює умови, в яких вони знаходяться. Це змушує їх перебудовуватися і шукати новий стабільний стан.
Спочатку бульбашки змістилися біля точки, в яку потрапила крапля води, а після повернулися у вихідне положення. Це викликало кілька колективних перестановок в системі. Щоб оцінити ефект, наданий впорскуванням рідини, вчені використовували дві величини: вектор зсуву і кількість бульбашок, що пересувалися. Бульбашку вважали тим, хто перемістився, якщо змінилися бульбашки, з якими він перебував у прямому контакті.
Вивчивши монодисперсні піни, вчені повторили експеримент для полідисперсних пен з різними за розміром бульбашками. Завдяки камері, розташованій над скляними платівками, їм вдалося зафіксувати і порівняти перерозподіли.
Виявилося, що перерозподіл бульбашок відбувається по-різному залежно від діапазону їх розмірів. У монодисперсній пені бульбашки переміщуються, утворюючи гексагональні соти. У полідісперсних системах, де бульбашки сильно відрізняються один від одного, їх рух більш хаотично.
Розуміння процесів всередині пеністих матеріалів важливе через їх широке застосування. Наприклад, ми писали про ефективний теплоізолятор з целюлозної піни. А пеністі матеріали, більш стійкі до підвищення температури і деформацій, вчені навчилися друкувати на 3D-принтері.