Kemiingenjörer vid University of Illinois Chicago och UCLA har svarat på långvariga frågor om de underliggande processerna som bestämmer livscykeln för flytande skum. Genombrottet kan bidra till att förbättra den kommersiella produktionen och appliceringen av skum i ett brett spektrum av industrier.

Resultaten av forskningen presenterades denna månad i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Skum är ett välbekant fenomen i vardagen - att blanda tvål och diskmedel i vatten när du diskar, blåser bubblor ur tvålvattenleksaker, smuttar på skummet från en kopp latte eller milkshake. Flytande skum kan förekomma i en mängd olika naturliga och konstgjorda miljöer. Medan vissa skum produceras naturligt, som i vattendrag som skapar stora havsblomningar på stränderna, andra uppstår i industriella processer. Vid oljeutvinning och jäsning, till exempel, skum är en biprodukt.

Närhelst tvålvatten skakas, skum bildas. De är mestadels gasfickor åtskilda av tunna flytande filmer som ofta innehåller små molekylära aggregat som kallas miceller. Fet smuts, till exempel, sköljs bort genom att gömma sig i micellers vattenfobiska kärnor. Dessutom, fettsmältningen i våra kroppar bygger på rollen av miceller som bildas av gallsalter.

Över tid, skum försvinner när vätska i de tunna filmerna pressas ut. Tvål- och tvättmedelsmolekyler som till sin natur är amfifila (hydrofila och hydrofoba) aggregat i vatten för att bilda sfäriska miceller, med deras utåtvända huvuden som är hydrofila och vattenfobiska svansar som bildar kärnan.

"Miceller är små, men inflytelserik, inte bara för att rengöra och solubilisera oljeälskande molekyler utan också för att påverka flöden i skumfilmer, " sade medföreståndaren Vivek Sharma, en docent i kemiteknik vid UIC College of Engineering. I nästan ett decennium, han har drivit frågan om hur och varför närvaron av miceller leder till stegvis förtunning, eller stratifiering, i ultratunna skumfilmer och såpbubblor.

För att lösa pusslet, Sharma och hans medarbetare utvecklade avancerade bildbehandlingsmetoder som de kallar IDIOM-protokoll (interferometry digital imaging optical microscopy) som implementeras med höghastighetskameror och digitala enlinsreflexkameror (DLSR). De fann att skumfilmer har en rik, ständigt föränderlig topografi, och tjockleksskillnaderna mellan olika skikt är mycket större än storleken på miceller.

"Vi använde en precisionsteknik som kallas röntgenspridning med liten vinkel för att lösa upp micellernas form, storlekar, och tätheter, " sa co-rektor utredare Samanvaya Srivastava, en biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid UCLA Samueli School of Engineering. "Vi fann att skumfilmens tjocklek minskar i diskreta hopp, med varje hopp som motsvarar det exakta avståndet mellan micellerna i vätskefilmen."

Teamet upptäckte också att arrangemanget av miceller i skumfilmer främst styrs av joninteraktionerna mellan miceller. Den elektrostatiska attraktionen och avstötningen mellan joner påverkar hur länge skum förblir stabila och hur deras struktur sönderfaller. Med dessa fynd, forskarna fastställde att genom att helt enkelt mäta skumfilmens tjocklek, som kan åstadkommas med en DSLR-kamera med IDIOM-protokollen, de kunde känneteckna både nanoskala interaktioner av miceller i vätskor och skummets stabilitet.

Jämfört med tidigare tekniker som är mer tidskrävande och kräver dyra, anpassad utrustning, den nya metoden är inte bara billigare utan är också mer omfattande och effektiv.

"Kunskapen och förståelsen kan hjälpa till i utvecklingen av nya produkter - från mat och personlig vård till läkemedel, " sa studiens medledande författare, doktorander Shang Gao från UCLA Samueli och Chrystian Ochoa från UIC. "Det kan också hjälpa ingenjörer att förbättra kontrollen av skum i industriella processer."