En skål med vatten stänkt med pepparflingor står redo på Mahesh Bandis köksbänk. Bandi, en professor i fysik vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), väter spetsen på en ätpinne med flytande tvål, nöje skrivet i hans ansikte, och frågar sina middagsgäster deras förutsägelser:vad kommer flingorna att göra när tvålen möter vattenytan?

Han rör vid vattnet med ätpinnen - plötsligt, flingorna flyr från mitten av skålen. Detta är bara ett mycket enkelt exempel på Marangoni-effekten, som Bandi studerar i sitt labb på OIST:s Collective Interactions Unit.

Anmäld redan 1686, fenomenet beror på en skillnad i ytspänning - den kvalitet som gör att en vätskeyta beter sig som om den vore ett sträckt elastiskt membran. Ämnet med högre ytspänning drar starkare än det med lägre ytspänning, drar vätskeflödet mot sig.

James Thomson, fysikern Lord Kelvins äldre bror, beskrev fenomenet 1855 som "de nyfikna rörelser som vanligtvis observeras i filmen av vin som fäster vid insidan av ett vinglas." Samma kraft gör att vattenstridare kan glida längs ytan av en damm, och, som Bandi visar, gör att flingor rör sig över vattnet. Än, trots dess allestädes närvarande, Marangoni-effekten är svårfångad.

"Du kan se det i ditt kök, men det är notoriskt svårt att kvantifiera, " sa Bandi. I en ny studie publicerad i tidskriften Fysiska granskningsbrev , han och hans kollegor presenterar en metod för att göra just detta genom att studera fenomenet genom tre olika oberoende mätningar.

Flytande tvål gör flera saker när den vidrör en skål med vatten:en del av den sprider sig över vattenytan, medan en del börjar lösas upp i vattnet. Forskarna fann att dessa faktorer – som tillsammans utgör Marangoni-effekten – kan förekomma i varierande grad.

Bandi och hans kollegor arbetade utifrån en matematisk modell utvecklad av Brown University professor, Shreyas Mandre, som förutsäger hur en vätska som vatten interagerar med ett ytaktivt ämne - en vätska som tvål eller tvättmedel, som har lägre ytspänning, införs vid dess yta. Använda ett specialbyggt renrum, forskare vid OIST utförde flera experiment för att bekräfta förutsägelser om hur vätskorna skulle interagera.

För att visa vätskans rörelse, forskarna använde en rektangulär behållare fylld med vatten. Nästa, de använde en spruta för att avsätta ytaktivt ämne, innehåller även små partiklar, vid luft-vatten-gränssnittet - den exakta ytan av vattnet.

Forskarna visualiserade sedan hastigheten för de två vätskorna med en teknik som kallas Laser Doppler Velocimetry, som upptäcker förändringar i ljusvågornas frekvens när en laserstråle träffar dem. De verifierade sina resultat med ytterligare två metoder. Forskarna mätte det ytaktiva medlets spridning ner genom gränsskiktet och in i det underliggande vattnet. De mätte också "skjuvspänningen" eller intensiteten med vilken det ytaktiva medlet drar vattnet.

Forskarna fann att med deras modell, de kunde nära förutsäga den hastighet med vilken ett ytaktivt ämne spreds. Deras resultat passar inom ett av två scenarier:beroende på om det ytaktiva ämnet lätt löses upp eller inte, det diffunderade ut i vattnet mer eller mindre snabbt än det spred sig över vattenytan.

Tidigare arbete har föreslagit att ett ytaktivt ämne löses upp i vatten snabbare än det sprids över ytan, men den nya studien visar en mer komplex bild av hur upplösningen och spridningen av det ytaktiva ämnet påverkar fenomenet.

Forskare fann att denna åtgärd berodde på om det ytaktiva ämnet lätt löstes upp eller inte. Om så är fallet, det diffunderade ut i vattnet snabbare än det spred sig över dess yta, varom icke, det diffunderade mindre snabbt än det spred sig.

Studien tar ytterligare ett steg mot att förstå ett komplext och dynamiskt fenomen.

"Teori är en approximation av verkligheten, men den verkliga världen är rörig, sade Bandi. Trots det, han och hans medarbetare kunde förutsäga vätskornas beteende i den verkliga världen - "bevis på att teorin fungerar."