Oavsett om man dricker öl, äta glass eller diska, det är rättvist att säga att många människor stöter på skum dagligen. Det finns i allt från tvättmedel till drycker till kosmetika. Utanför vardagen, den har tillämpningar inom områden som brandbekämpning, isolera giftiga material och distribuera kemikalier. Men det finns fortfarande mycket att lära om detta allestädes närvarande material.

"Skum är naturens ideala slumpmässigt oordnade material, sa Douglas Durian, en fysikprofessor vid School of Arts and Sciences vid University of Pennsylvania. "Beställda fasta ämnen, material med en kristallin struktur under, är lätta att beskriva. Där vi inte vet mycket, men lär fortfarande, är i system som är oordnade och långt ifrån jämvikt, och det är detta till ett T. Du kan tänka dig att göra ett ordnat skum genom att blåsa enskilda bubblor i samma storlek och stapla dem som kanonkulor, men du skulle göra ett litet misstag. Om en bubbla är oändligt mycket mindre än alla andra, det kommer att vara under högre press, och det kommer att börja krympa. Det utvecklas naturligt till detta oordnade tillstånd där det är polydisperst, och det är bara underbart."

Eftersom skum ofta används inom industrin, att uppnå en bättre grundläggande förståelse av materialet kommer att göra det möjligt för människor att kontrollera dess stabilitet, manipulera den för att hålla längre så att den bättre kan utföra sin funktion. Det kan också destabilisera det och förhindra att det dyker upp på oönskade platser. Till exempel, närhelst man måste bearbeta vätskor i industrin, hastigheten med vilken det görs begränsas av skumning.

Titta på en time-lapse-film av ett kvasi-tvådimensionellt skum, man kanske märker att det utvecklas med tiden, de enskilda bubblorna inom långsamt ändrar form. Så småningom, den genomsnittliga bubbelstorleken i skummet växer, ett fenomen som kallas förgrovning. Denna förgrovning ger skummet ett sätt att bli av med ytan. Durian och Cody Schimming, en Penn fysik major och nu doktorand vid University of Minnesota, har publicerat en tidning i Fysisk granskning E som undersöker hur graden av fuktighet hos ett skum påverkar detta fenomen.

För att förstå detta, man kan tänka på en blandning av tvål och vatten. Om man skulle spruta lite schampo eller diskmedel i en flaska vatten med några droppar gul matfärg och skaka om det, flaskan skulle snabbt fyllas med skum.

"Om du tittade noga på det, Durian sa, "du skulle se att de små bubblorna var väldigt trasiga och torra och typ polyedriska upptill. När du går ner, du skulle se mer färg eftersom det är mer vätska i den. Du skulle också märka att bubblorna där det är mer gult faktiskt är rundare. Så de går från att vara fastklämda och polyedriska till att i huvudsak vara fria och sfäriska nere nära botten."

Närbild skulle skummet vara torrt och skumt mot toppen, bestående av små pinnar, kallas platågränser, där tre filmer möts. När skummet blir blötare mot botten, dessa pinnar blir tjockare tills de börjar bli sfäriska. Denna gradering av struktur, Durian sa, är densamma oavsett vad som finns i skummet eller storleken på bubblorna.

Medan tiden går, mer och mer vätska kommer att samlas i botten av flaskan. Det finns tre olika mekanismer som gör att gasen och vätskan separeras. En av dem är filmbrott, eller bubblor som poppar. Eftersom denna process orsakas av avdunstning, det kommer inte att förekomma i den förseglade flaskan. Den andra mekanismen är gravitationsdränering:gravitationen drar ner vätskan och bubblorna går upp. Det är detta som orsakar separationen i flaskan.

Men det skulle vara möjligt att eliminera gravitationsdränering om skummet placerades i en mikrogravitationsmiljö, som den på den internationella rymdstationen. I detta fall, förgrovning blir boven när gas diffunderar från små högtrycksbubblor till större lågtrycksbubblor.

"Vad folk brukade anta, sa Durian, "var att dessa platågränser totalt skulle blockera diffusionen av gas, och att gasdiffusion bara skulle gå över tvålfilmsfönstren. Vad Cody gjorde är att han faktiskt löste diffusionsekvationen numeriskt för att ta reda på vad som händer innanför dessa platågränser. Du kanske gissar att den diffusiva strömmen av gas genom platåns gränser är proportionell mot den reciproka av deras tjocklek och därför är försumbart liten. Men Cody visade att det faktiskt är proportionellt mot den reciproka kvadratroten av produkten av kanttjocklek och filmtjocklek. Eftersom filmerna är så tunna, strömmen av gas som passerar gränsen är därför långt, mycket större än vad som antagits."

Forskarna tillämpade vad de upptäckte på en lag för förändringshastigheten för bubbelarea av matematikern och fysikern John von Neumann. Enligt von Neumanns lag, hastigheten för areaförändring är lika med antalet sidor minus sex. Man kan förvänta sig att hur snabbt bubblan byter gas med sina grannar skulle bero på saker som dess storlek och form, men, enligt von Neumans lag, topologi är det enda som är viktigt. I deras papper, Durian och Schimming återvände till detta argument och inkorporerade vad de lärde sig om gränsblockering och gränspassering för att se hur det ändras.

"Det finns dessa tre mekanismer och vi försöker förstå grunderna för hur de fungerar, ", sa Durian. "Vi har en bra bild från von Neumann-lagen om hur torra skum förgrovs. Von Neumann-lagen gäller bara för denna ideala gräns att det inte finns någon vätska. Men inga skum är matematiskt torra. Riktiga skum har massor av vätska i sig, så alla dessa mekanismer förändras på något slags avgörande sätt, och vi försöker ta reda på hur det går. Om du kan förstå grunderna, då borde det vara möjligt att förbättra alla dessa applikationer där det är så viktigt att kunna kontrollera exakt hur snabbt förgrovningen sker."

Durian sa att han gillar att studera skum eftersom, till skillnad från andra långt ifrån jämviktssystem, förberedelsehistorik spelar ingen roll.

"Jag kan göra skum på alla gamla sätt och om jag väntar ett tag kommer det att radera sin historia, " sa han. "Den har sin egen utveckling som för oss till detta reproducerbara tillstånd, så det är ett sätt att få ett oordnat material som är perfekt reproducerbart. Jag älskar också att fysiken styrs av geometri. Dessa tvålfilmer är minimala ytor med konstant krökning. Det finns topologiregler för hur filmerna hänger ihop, så mikrostrukturens geometri och topologi styrs av vacker matematik. Oberoende av storleken på bubblan eller den kemiska sammansättningen, de är bara underbart idealiska slumpmässiga material att tänka på."