Vindkraftverk som reser sig hundratals meter över många landskap inbjuder till en oändlig framtid, ren energi.

Men i en avgörande mening, turbiner förblir rotade i det förflutna:ungefär som med din bil, deras motorer kräver smörjning för att fungera smidigt. Frågan för många kemiska ingenjörer är, hur förlänger man smörjmedlens livslängd?

I en ny studie publicerad i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , Vineeth Chandran Suja, en Stanford doktorand i kemiteknik, utforskar ett av kärnproblemen:skummande olja.

Problemet, han säger, är det oavsett om det är i din bil eller ett vindturbin, varje gång metallkugghjul slipar mot andra metaller, olja faller runt och blandas med luft. Detta resulterar ofta i bildandet av små bubblor med varierande livslängd. Om bubblorna inte spricker omedelbart, de samlas snart i ett skum, vilket är en av de främsta mekanismerna för motornedgång.

Skummet är skadligt på en mängd olika sätt. Det bryter ned smörjmedlet och låter växlarna slipa. Syre som fångas i oljeskum gör att metalldelarna oxiderar, det är, att rosta. Och skummet fungerar som en värmeisolator, fånga in skadlig värme i systemet. Därav, smörjmedelstillverkare letar aktivt efter sätt att lindra skumbildning av smörjmedel.

För att bättre förstå de förhållanden som ger upphov till skum, forskarna, ledd av Gerald Fuller, professor i kemiteknik, anpassat en uppsättning tekniker som ursprungligen utvecklades för att studera vätskeskiktet som smörjer utsidan av det mänskliga ögat. Dessa nya tekniker gjorde det möjligt för dem att studera de färgglada mönstren på ytan av enskilda oljebubblor – ett nyckelframsteg från tidigare forskning, som fokuserade på skum i aggregatet.

När Fuller och Suja zoomade in på den iriserande ytan av sina små oljebubblor, de upptäckte att färgmönstren avslöjade bubbelväggens tjocklek. Ljusare, mer levande färger indikerade tjockare väggar som ledde till mer ihållande bubblor och, därav, skummare, mindre effektiva oljor, säger Suja, som var första författare på tidningen. Mörkare färger indikerade tunnväggiga bubblor som snabbt skulle poppa, så oljorna som skulle hålla längre och ge bättre smörjning.

Forskarna använde sin nya färgkodningsteknik för att avgöra varför vissa motoroljor tenderar att bli skummiga. Deras slutmål var att ta reda på hur man gör oljor som håller längre. I processen gjorde de en överraskande upptäckt om hur avdunstning påverkar bubbelbildning och skumning.

När de zoomade in, de observerade att avdunstning på toppen av varje bubbla fick dess ytspänning att förändras, dra extra olja mot toppen. Denna extra olja gjorde bubbelväggen tjockare och starkare, och förhindrade att den spricker. De fångade video av bubblorna som pulserade när tårar av olja samlades på toppen, rullade sedan ner den yttre väggen av bubblan bara för att komma upp till toppen igen genom avdunstning. När cykeln fortsatte, dessa ihållande, tjockväggiga bubblor tenderade att bli oönskade skum. "Att lära sig att hela denna process drivs av avdunstning var lite av ett oväntat resultat, "Säger Fuller.

Forskarna visade att denna effekt är mest uttalad i blandade, multi-grade oljor, men praktiskt taget frånvarande i homogen, engradiga oljor. "Det visar sig, om du vill minska skumbildning, du vill använda hög renhet, enkla oljor, säger Fuller.

Suja och Fuller följer nu två strategier för att hitta sätt att minska eller eliminera skumbildning. Den första är att formalisera sin förståelse av bubbelbildning, avdunstning och skumning med matematiska modeller som gör att de kan simulera hur rena eller blandade oljor sannolikt kommer att prestera i verkligheten. Detta skulle påskynda forskningen och upptäcktsprocessen för nya oljor. Det andra är att leta efter skumdämpande tillsatser eller andra sätt att motverka dessa pulserande tårar.

Detta är en grundläggande studie som belyser ett stort problem som plågar smörjning, säger Fuller. "Det pekar oss också i några intressanta nya riktningar."