I många industriella processer, såsom i bioreaktorer som producerar bränslen eller läkemedel, skum kan komma i vägen. Skummande bubblor kan ta mycket plats, begränsa den tillgängliga volymen för att tillverka produkten och ibland gumma upp rör och ventiler eller skada levande celler. Företag spenderar uppskattningsvis 3 miljarder dollar per år på kemiska tillsatser som kallas skumdämpare, men dessa kan påverka produktens renhet och kan kräva extra bearbetningssteg för borttagning.

Nu, forskare vid MIT har kommit på en enkel, billig, och helt passivt system för att minska eller eliminera skumuppbyggnaden, med hjälp av bubbla-lockande ark av särskilt texturerat nät som får bubblor att kollapsa så snabbt som de bildas. Den nya processen beskrivs i tidskriften Avancerade materialgränssnitt , i en uppsats av nyutexaminerade Leonid Rapoport Ph.D. '18, gäststudent Theo Emmerich, och professor i maskinteknik Kripa Varanasi.

Det nya systemet använder ytor som forskarna kallar "aerofila, "som attraherar och sprider bubblor av luft eller gas på ungefär samma sätt som hydrofila (vattentraktande) ytor får vattendroppar att fastna vid en yta, Sprid ut, och faller bort, Varanasi förklarar.

"Skum finns överallt" i industriella processer, han säger, inklusive ölbryggning, papperstillverkning, produktion och bearbetning av olja och gas, biobränsleproduktion, schampo och kosmetikaproduktion, och kemisk bearbetning.

Också, "Det är en av de största utmaningarna inom cellkultur eller bioreaktorer, "tillägger han. För att främja celltillväxt, olika gaser diffunderar typiskt genom vattnet eller annat flytande medium. Men detta kan leda till uppbyggnad av skum, och när de små bubblorna spricker kan de producera skjuvkrafter som kan skada eller döda cellerna, så det är viktigt att kontrollera skummet.

Det vanliga sättet att hantera skumproblemet är genom att tillsätta kemikalier som glykoler eller alkoholer, som vanligtvis sedan måste filtreras bort igen. Men det lägger till kostnader och extra bearbetningssteg, och kan påverka produktens kemi. Så, frågade laget, "Hur kan du bli av med skum utan att behöva tillsätta kemikalier? Det var vår utmaning, "Säger Varanasi.

För att ta itu med problemet, de skapade höghastighetsvideo för att studera hur bubblor reagerar när de träffar en yta. De fann att bubblorna tenderar att studsa bort som en gummiboll, studsade flera gånger innan de slutligen fastnade på plats, precis som droppar vätska gör när de träffar en yta, bara upp och ner. (Bubblorna stiger, så de studsar nedåt.)

"För att effektivt fånga den påverkande bubblan, vi var tvungna att förstå hur den flytande filmen som skiljer den från ytan rinner ut, "säger Rapoport." Och vi var tvungna att börja på ruta ett eftersom det inte ens fanns ett fastställt mått för att mäta hur bra en yta är för att fånga påverkande bubblor. I sista hand, vi kunde förstå fysiken bakom vad som får en bubbla att studsa bort, och den förståelsen drev designprocessen. "

Teamet kom med en platt enhet som har en uppsättning noggrant designade ytstrukturer i olika storleksskalor. Ytan var avstämd så att bubblor skulle fastna direkt utan att studsa, och sprider sig snabbt och försvinner för att ge plats åt nästa bubbla istället för att ackumuleras som skum.

"Nyckeln till att snabbt fånga bubblor och kontrollera skum visade sig vara ett treskiktssystem med funktioner av successivt finare storlekar, "säger Emmerich. Dessa funktioner hjälper till att fånga ett mycket tunt luftskikt längs ytan av ett material. Denna yta, känd som en plastron, har likheter med strukturen hos några fjädrar på dykfåglar som hjälper till att hålla djuren torra under vattnet. I detta fall, plastronen hjälper till att få bubblorna att fastna på ytan och försvinna.

Nettoeffekten är att minska den tid det tar för en bubbla att fastna på ytan hundra gånger, Säger Varanasi. I tester, studsningen reducerades från hundratals millisekunder till bara några millisekunder.

För att testa idén i labbet, laget byggde en enhet som innehöll en bubbla-fånga yta och satte in den i en bägare som hade bubblor stiger genom den. De placerade den bägaren bredvid en identisk sådan som innehåller skummande skum med ett ark av samma storlek, men utan det texturerade materialet. I bägaren med bubblan som fångar ytan, skummet försvann snabbt till nästan ingenting, medan ett helt lager skum stannade på plats i den andra bägaren.

Sådana bubblor som fångar ytor kan lätt eftermonteras till många industriella bearbetningsanläggningar som för närvarande förlitar sig på avskummning av kemikalier, Säger Varanasi. Han spekulerade i att på längre sikt, en sådan metod kan till och med användas som ett sätt att fånga metan som sipprar från smältande permafrost när världen värms. Detta kan både förhindra att en del av den potenta växthusgasen kommer ut i atmosfären, och samtidigt ge en bränslekälla. Vid denna tidpunkt är den möjligheten "paj på himlen, " han säger, men i princip kan det fungera.

Till skillnad från många nya teknikutvecklingar, detta system är så enkelt att det enkelt kan implementeras, Säger Varanasi. "Det är klart att gå.… Vi ser fram emot att arbeta med industrin."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.