Forskare från Tokyo Metropolitan University har upptäckt två distinkta mekanismer genom vilka skum kan kollapsa, ge insikt i förebyggande/acceleration av skumbrott i industriella material, t.ex., mat, kosmetika, isolering och lagrade kemikalier. När en bubbla går sönder, de fann att en kollaps-händelse fortplantar sig via stötar med den vikande filmen och små spridda droppar som bryter andra bubblor. Att identifiera vilken mekanism som är dominerande i olika skum kan hjälpa till att skräddarsy dem för specifika applikationer.

Skum spelar en nyckelroll i ett brett utbud av industriprodukter, inklusive mat, drycker, läkemedel, rengöringsprodukter och kosmetika. De har materialapplikationer som byggnadsisolering, flygplansinredningar och flamskyddsbarriärer. De kan också vara en oönskad egenskap hos en produkt av skumning i lagrade kemikalier under transport. Ur ett vetenskapligt perspektiv, de utgör också en unik form av materia, en fin balans mellan det komplexa nätverk av krafter som verkar på vätskefilmnätverket som utgör dess struktur och trycket från gasen som fångas inuti. Att förstå hur skum beter sig kan ge nya fysiska insikter, samt bättre sätt att använda dem.

Naoya Yanagisawa och docent Rei Kurita ger sig ut för att observera hur skum kollapsar. De tog en lösning av vatten, glycerol och ett vanligt ytaktivt ämne (ett filmstabiliserande medel) och skapade ett tvådimensionellt skum som klämdes mellan två glasbitar. Med hjälp av en ultrasnabb kamera och en nål, de kunde kontrollerat bryta en bubbla vid kanten av skumflotten och observera kollektiv bubbelkollaps (CBC). De identifierade två distinkta sätt på vilka sprängningen av en bubbla vid kanten ledde till en kaskad av brotthändelser runt den, ett förökningsmod på grund av absorptionen av filmen från den trasiga bubblan i omgivande flytande film, och ett "penetrerande" läge på grund av att droppar släpps från bristningshändelsen som flyger iväg och bryter andra bubblor.

När utredarna ändrade mängden vatten i filmen, de identifierade flera nyckeltrender i hur bubblorna reagerar på mikroskopisk nivå. Till exempel, de fann att mer vätska i skummet ledde till att långsammare droppar släpptes, som inte kan penetrera omgivande filmer. Detta korrelerade med en drastisk minskning av antalet bubblor som kollapsade; CBCs var alltså avgörande underbyggd av det penetrerande sättet att kollapsa. Dropphastigheten bestämdes av den hastighet med vilken filmen drog sig tillbaka; denna strömningshastighet visade sig vara proportionell mot filmens osmotiska tryck, dvs. trycket vid vilket en vätska som kommer i kontakt med skummet drivs in i filmnätverket. Teamet visade att Navier-Stokes ekvationer, nyckelrelationer som beskriver hur vätskor beter sig över tid, kan användas för att förklara dessa trender.

Ett nyckelfynd var att en förändring av vätskans viskositet inte ledde till en signifikant förändring av antalet bubblor som bröts. Metoder för att stabilisera skum är vanligtvis beroende av att viskositeten ändras, ändå visar teamets resultat tydligt hur både antalet bubblor kollapsade och hastigheten på den vikande filmen är opåverkade. Tillsammans med den dominerande roll som penetrerande läge spelar, framtida strategier för att förhindra skumkollaps kan istället fokusera på att kombinera flera ytaktiva ämnen för att göra filmen mer motståndskraftig mot droppstötar.

Studien har publicerats online i tidskriften Vetenskapliga rapporter .