Forskare från Tokyo Metropolitan University har avslöjat hur flytande skum kollapsar genom att observera individuella kollapshändelser med höghastighetsvideomikroskopi. De fann att sprickor i filmer ledde till en vikande vätskefront som sveper upp den ursprungliga filmkanten, vänder sin form, och släpper en droppe, som slår och knäcker andra filmer. Deras observationer och fysiska modell ger viktiga insikter i hur man gör skum mer eller mindre resistenta mot kollaps.

Att förstå hur skum kollapsar är en allvarlig sak. Oavsett om det är att se till att brandsläckningsskum sammanhänger tillräckligt länge för att släcka lågor, sanering av giftiga skum i hav och floder, eller helt enkelt få den perfekta riset på en tårta, Att ta reda på hur skummaterial kollapsar är avgörande för att skräddarsy deras egenskaper, både för att hålla skum kvar längre eller hjälpa dem att försvinna snabbare.

Ett team under ledning av prof. Rei Kurita från Tokyo Metropolitan University har genomfört höghastighetsvideomikroskopiexperiment på flytande skum. Genom att generera skum mellan två tunna, genomskinliga tallrikar, de har direkt tillgång till hela skalan av komplexa fenomen som uppstår när de börjar kollapsa. I tidigare arbete, de visade att ett viktigt sätt på vilket skum kollapsar är genom generering av droppar när enskilda filmer spricker. Dessa droppar flyger iväg i höga hastigheter och bryter andra omgivande filmer, leder till en kaskad av brott som gör att skummet bryts ner. Än, det var ännu inte känt hur exakt dropparna bildades. Viktigt, det var inte klart när droppar bildades och när de inte bildades.

Nu, laget har börjat reda ut den komplexa mekanismen bakom hur dessa droppar tillverkas. När en första spricka bildas i en film, filmen avtar och lämnar en vinglande vätskelinje där den ursprungliga filmgränsen var, kallas den frigivna vertikala platågränsen (RVPB). Medan det vinglar, det finns en ansamling av vätska i mitten av RVPB. När ytterligare en spricka skapas i den återstående filmen, en vikande linje av vätska skapas, som sopar upp RVPB.

Intressant, videor visade att den här fronten har en tendens att invertera i form när den färdas. Teamet fann att detta till stor del beror på en tröghetseffekt, eftersom den tyngre centrala delen rör sig mindre under en konstant kraft. Viktigt, det är denna inversion som i slutändan gör att en droppe släpps, initierar en kaskad av filmbrottshändelser. Deras arbete står i kontrast till tidigare undersökningar som tittat på stående enskilda filmer; vätskeansamling i mitten av RVPB är endast möjlig inuti skum, där vätska kan tillföras av omgivande filmer och kanter. Den fysiska modellen de utvecklade för att beskriva dynamiken visade sig ge tillförlitliga förutsägelser av fronthastighet och relevanta tidsskalor.

Till sist, teamet ersatte laboratoriereagenser med ett hushållstvättmedel och upprepade experimentet, skapar ett mycket mer långvarigt skum. När en bubbla sprängs vid sidan, de hittade en liknande ansamling av vätska i mitten av RVPB, dock betydligt mindre än tidigare. Den förbättrade elasticiteten hos filmen innebar också att det var extremt osannolikt att två sprickor skulle bildas i samma film; det betydde att inga droppar bildades, dvs. ingen kollektiv bubbelkollaps:mot bakgrund av mekanismen ovan, detta visar definitivt att både mindre transport inom RVPB och färre sprickor bidrog direkt till skumstabiliteten. Insikter som dessa är viktiga för att vägleda designen av nya skummaterial med förbättrade egenskaper; teamet hoppas att deras arbete kan inspirera till toppmoderna isoleringsmaterial, tvättmedel, livsmedelsprodukter och kosmetika.