Chemische ingenieurs van de University of Illinois Chicago en UCLA hebben al lang bestaande vragen beantwoord over de onderliggende processen die de levenscyclus van vloeibare schuimen bepalen. De doorbraak zou kunnen helpen bij het verbeteren van de commerciële productie en toepassing van schuim in een breed scala van industrieën.

De bevindingen van het onderzoek waren deze maand te zien in: Proceedings van de National Academy of Sciences.

Schuim is een bekend fenomeen in het dagelijks leven:zeep en wasmiddelen bij het afwassen met water mengen, bellen blazen uit zeepachtig speelgoed, nippend aan het schuim van een kopje latte of milkshake. Vloeibare schuimen kunnen voorkomen in verschillende natuurlijke en kunstmatige omgevingen. Hoewel sommige schuimsoorten op natuurlijke wijze worden geproduceerd, zoals in watermassa's die grote oceaanbloei op de stranden creëren, andere ontstaan ​​in industriële processen. Bij oliewinning en fermentatie, bijvoorbeeld, schuim is een bijproduct.

Telkens wanneer zeepsop wordt geroerd, schuimen worden gevormd. Het zijn meestal gaszakken die worden gescheiden door dunne vloeistoffilms die vaak kleine moleculaire aggregaten bevatten die micellen worden genoemd. olieachtig vuil, bijvoorbeeld, wordt weggespoeld door zich te verstoppen in de waterafstotende kernen van micellen. In aanvulling, vetvertering in ons lichaam is afhankelijk van de rol van micellen gevormd door galzouten.

Overuren, schuim verdwijnt als vloeistof in de dunne films eruit wordt geperst. Zeep- en wasmiddelmoleculen die van nature amfifiel (hydrofiel en hydrofoob) zijn, aggregeren in water om bolvormige micellen te vormen, met hun naar buiten gerichte koppen die hydrofiele en waterafstotende staarten zijn die de kern vormen.

"Micellen zijn klein, maar invloedrijk, niet alleen bij het reinigen en oplossen van olieminnende moleculen, maar ook bij het beïnvloeden van stromen in schuimfilms, " zei co-hoofdonderzoeker Vivek Sharma, een universitair hoofddocent chemische technologie aan het UIC College of Engineering. Bijna een decennium lang, hij heeft de vraag nagestreefd hoe en waarom de aanwezigheid van micellen leidt tot stapsgewijze uitdunning, of gelaagdheid, binnen ultradunne schuimfilms en zeepbellen.

Om de puzzel op te lossen, Sharma en zijn medewerkers ontwikkelden geavanceerde beeldvormingsmethoden die ze IDIOM-protocollen (interferometry digital imaging optische microscopie) noemen en die worden geïmplementeerd met high-speed en digitale single-lens reflex (DLSR) camera's. Ze ontdekten dat schuimfilms een rijke, steeds veranderende topografie, en de dikteverschillen tussen verschillende lagen zijn veel groter dan de grootte van micellen.

"We gebruikten een precisietechniek genaamd kleine-hoek röntgenverstrooiing om de vorm van de micellen op te lossen, maten, en dichtheden, " zei co-hoofdonderzoeker Samanvaya Srivastava, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering aan de UCLA Samueli School of Engineering. "We ontdekten dat de dikte van de schuimfilm afneemt bij discrete sprongen, waarbij elke sprong overeenkomt met de exacte afstand tussen de micellen in de vloeibare film."

Het team ontdekte ook dat de rangschikking van micellen in schuimfilms voornamelijk wordt bepaald door de ionische interacties tussen micellen. De elektrostatische aantrekking en afstoting tussen ionen beïnvloedt hoe lang schuimen stabiel blijven en hoe hun structuur vergaat. Met deze bevindingen de onderzoekers bepaalden dat door simpelweg de dikte van de schuimfilm te meten, wat kan worden bereikt met een DSLR-camera met behulp van de IDIOM-protocollen, ze konden zowel de interacties op nanoschaal van micellen in vloeistoffen als de stabiliteit van de schuimen karakteriseren.

Vergeleken met eerdere technieken die meer tijd in beslag nemen en dure, aangepaste apparatuur, de nieuwe methode is niet alleen goedkoper, maar ook uitgebreider en efficiënter.

"De kennis en het begrip kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe producten - van voedsel en persoonlijke verzorging tot farmaceutische producten, " zeiden de co-lead auteurs van de studie, afgestudeerde studenten Shang Gao van UCLA Samueli en Chrystian Ochoa van UIC. "Het kan ingenieurs ook helpen om de beheersing van schuim in industriële processen te verbeteren."