Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben twee verschillende mechanismen ontdekt waardoor schuim kan instorten, inzicht verschaffen in het voorkomen/versnellen van schuimbreuk in industriële materialen, bijv. voedsel, cosmetica, isolatie en opgeslagen chemicaliën. Als een bubbel breekt, ze ontdekten dat een instortingsgebeurtenis zich voortplant via een impact met de terugwijkende film en kleine verspreide druppeltjes die andere bellen breken. Het identificeren van welk mechanisme dominant is in verschillende schuimen kan helpen om ze af te stemmen op specifieke toepassingen.

Schuimen spelen een sleutelrol in een breed scala aan industriële producten, inclusief voedingsmiddelen, dranken, geneesmiddelen, schoonmaakproducten en cosmetica. Ze hebben materiële toepassingen zoals bouwisolatie, vliegtuiginterieurs en vlamvertragende barrières. Ze kunnen ook een ongewenste eigenschap zijn van een product van schuimvorming in opgeslagen chemicaliën tijdens het transport. Vanuit een wetenschappelijk perspectief, ze vormen ook een unieke vorm van materie, een fijne balans tussen het complexe netwerk van krachten die inwerken op het vloeibare filmnetwerk dat de structuur vormt en de druk van het gas dat erin opgesloten zit. Begrijpen hoe schuim zich gedraagt, kan nieuwe fysieke inzichten opleveren, evenals betere manieren om ze te gebruiken.

Naoya Yanagisawa en universitair hoofddocent Rei Kurita gingen op pad om te observeren hoe schuim instort. Ze namen een oplossing van water, glycerol en een gewone oppervlakteactieve stof (een filmstabilisator) en creëerde een tweedimensionaal schuim dat tussen twee stukken glas werd geplet. Met behulp van een ultrasnelle camera en een naald, ze waren in staat om controleerbaar een bel aan de rand van het schuimvlot te breken en de collectieve instorting van de bellen (CBC) waar te nemen. Ze identificeerden twee verschillende manieren waarop het breken van een bel aan de rand leidde tot een cascade van breukgebeurtenissen eromheen, een voortplantingsmodus vanwege de absorptie van de film van de gebroken bel in de omringende vloeibare film, en een "penetrerende" modus vanwege het vrijkomen van druppeltjes van de breuk die wegvliegt en andere bellen breken.

Toen de onderzoekers de hoeveelheid water in de film veranderden, ze identificeerden verschillende belangrijke trends in hoe de bubbels op microscopisch niveau reageren. Bijvoorbeeld, ze ontdekten dat meer vloeistof in het schuim leidde tot het vrijkomen van langzamere druppels, die niet in staat zijn om omringende films te doordringen. Dit was gecorreleerd met een drastische daling van het aantal ingestorte bellen; CBC's werden dus cruciaal ondersteund door de doordringende manier van ineenstorting. De druppelsnelheid werd bepaald door de snelheid waarmee de film zich terugtrok; deze stroomsnelheid bleek evenredig te zijn met de osmotische druk van de film, d.w.z., de druk waarbij een met het schuim in aanraking gebrachte vloeistof in het folienetwerk wordt gedreven. Het team toonde aan dat de Navier-Stokes vergelijkingen, belangrijke relaties die beschrijven hoe vloeistoffen zich in de loop van de tijd gedragen, zou kunnen worden gebruikt om deze trends te verklaren.

Een belangrijke bevinding was dat het veranderen van de viscositeit van de vloeistof niet leidde tot een significante verandering in het aantal gebroken bellen. Methoden om schuimen te stabiliseren zijn gewoonlijk afhankelijk van het veranderen van de viscositeit, toch laten de bevindingen van het team duidelijk zien hoe zowel het aantal ingestorte bellen als de snelheid van de terugwijkende film onaangetast blijven. In combinatie met de dominante rol van de doordringende modus, toekomstige strategieën om instorting van schuim te voorkomen, kunnen in plaats daarvan gericht zijn op het combineren van meerdere oppervlakteactieve stoffen om de film beter bestand te maken tegen druppelinslag.

De studie is online gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .