Of je nu bier drinkt, ijs eten of afwassen, het is eerlijk om te zeggen dat veel mensen dagelijks schuim tegenkomen. Het zit in alles, van wasmiddelen tot dranken tot cosmetica. Buiten het dagelijkse leven, het heeft toepassingen op gebieden zoals brandbestrijding, het isoleren van giftige materialen en het distribueren van chemicaliën. Maar er valt nog veel te leren over dit alomtegenwoordige materiaal.

"Schuimen zijn de ideale willekeurige ongeordende materialen van de natuur, " zei Douglas Durian, hoogleraar natuurkunde aan de School of Arts and Sciences van de University of Pennsylvania. "Geordende vaste stoffen, materialen met een kristallijne structuur eronder, zijn gemakkelijk te omschrijven. Waar we niet veel weten, maar ben nog aan het leren is in systemen die ongeordend zijn en ver van evenwicht, en dat is dit tot een T. Je zou een geordend schuim kunnen maken door individuele bellen van dezelfde grootte te blazen en ze als kanonskogels op elkaar te stapelen, maar je zou zeker een klein foutje maken. Als één bel oneindig veel kleiner is dan de rest, het zal onder hogere druk staan, en het begint te krimpen. Het evolueert van nature naar deze wanordelijke staat waar het polydispers is, en het is gewoon prachtig."

Omdat schuimen vaak in de industrie worden gebruikt, het verkrijgen van een beter fundamenteel begrip van het materiaal zal mensen in staat stellen de stabiliteit ervan te beheersen, het manipuleren om langer mee te gaan, zodat het zijn functie beter kan uitoefenen. Het kan het ook destabiliseren en voorkomen dat het op ongewenste plaatsen opduikt. Bijvoorbeeld, wanneer men vloeistoffen moet verwerken in de industrie, de snelheid waarmee dat gebeurt, wordt beperkt door schuimvorming.

Kijken naar een time-lapse-film van een quasi-tweedimensionaal schuim, men zou kunnen opmerken dat het in de loop van de tijd evolueert, de individuele bubbels binnen langzaam veranderende vorm. Eventueel, de gemiddelde belgrootte in het schuim groeit, een fenomeen dat verruwing wordt genoemd. Deze verruwing geeft het schuim een ​​manier om oppervlakte kwijt te raken. Durian en Cody Schimming, een Penn natuurkunde-majoor en nu een afgestudeerde student aan de Universiteit van Minnesota, hebben een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling E dat onderzoekt hoe de mate van natheid van een schuim dit fenomeen beïnvloedt.

Om dit te begrijpen, men kan denken aan een mengsel van zeep en water. Als je een beetje shampoo of afwasmiddel in een fles water met een paar druppels gele kleurstof zou spuiten en het door elkaar zou schudden, de fles zou snel vollopen met schuim.

"Als je goed kijkt, "Duriaan zei, "Je zou zien dat de kleine bubbels erg piekerig en droog waren en een soort veelvlakkige bovenkant hadden. Als je naar beneden gaat, je zou meer kleur zien omdat er meer vloeistof in zit. Je zou ook opmerken dat de bubbels naar beneden waar het meer geel is, eigenlijk ronder zijn. Dus ze gaan van vastgelopen en veelvlakkig naar in wezen niet vastgelopen en bolvormig naar beneden bij de bodem."

Dichtbij zou het schuim naar boven toe droog en piekerig zijn, bestaande uit stokjes, Plateaugrenzen genoemd, waar drie films elkaar ontmoeten. Naarmate het schuim naar de bodem toe natter wordt, die stokjes worden dikker totdat ze bolvormig beginnen te worden. Deze gradatie van structuur, Durian zei, is hetzelfde, ongeacht wat er in het schuim of de grootte van de bubbels zit.

Als de tijd voorbij gaat, er zal zich steeds meer vloeistof ophopen op de bodem van de fles. Er zijn drie verschillende mechanismen die ervoor zorgen dat het gas en de vloeistof van elkaar scheiden. Een daarvan is filmbreuk, of bubbels die knallen. Omdat dit proces wordt veroorzaakt door verdamping, het zal niet voorkomen in de verzegelde fles. Het tweede mechanisme is zwaartekrachtdrainage:de zwaartekracht trekt de vloeistof naar beneden en de bellen gaan omhoog. Dit is wat de scheiding in de fles veroorzaakt.

Maar het zou mogelijk zijn om zwaartekrachtdrainage te elimineren als het schuim in een microzwaartekrachtomgeving zou worden geplaatst, zoals die op het internationale ruimtestation. In dit geval, vergroving wordt de boosdoener als gas diffundeert van kleine hogedrukbellen naar grotere lagere drukbellen.

"Wat mensen vroeger dachten, " zei Durian, "was dat deze plateaugrenzen de verspreiding van gas volledig zouden blokkeren, en die gasdiffusie zou alleen over de zeepfilmvensters gaan. Wat Cody deed, is dat hij de diffusievergelijking numeriek oploste om erachter te komen wat er binnen deze plateaugrenzen gebeurt. Je zou kunnen raden dat de diffusiestroom van gas door de Plateaugrenzen evenredig is met het omgekeerde van hun dikte en dus verwaarloosbaar klein is. Maar Cody toonde aan dat het eigenlijk evenredig is met het omgekeerde van de vierkantswortel van het product van grensdikte en filmdikte. Omdat de films zo dun zijn, de stroom van gas die de grens oversteekt is daarom ver, veel groter dan werd aangenomen."

De onderzoekers pasten wat ze ontdekten toe op een wet voor de veranderingssnelheid voor het bellengebied door wiskundige en natuurkundige John von Neumann. Volgens de wet van von Neumann, de veranderingssnelheid van het gebied is gelijk aan het aantal zijden min zes. Je zou kunnen verwachten dat hoe snel de bel gas uitwisselt met zijn buren, afhangt van zaken als zijn grootte en vorm, maar, volgens de wet van von Neuman, topologie is het enige dat belangrijk is. In hun krant Durian en Schimming hebben dit argument opnieuw bekeken en opgenomen wat ze hebben geleerd over grensblokkering en grensoverschrijding om te zien hoe het wordt gewijzigd.

"Er zijn deze drie mechanismen en we proberen de fundamenten te begrijpen van hoe ze werken, "Zei Durian. "We hebben een goed beeld van de wet van von Neumann over hoe droog schuim grover wordt. De wet van von Neumann is alleen van toepassing op deze ideale limiet dat er geen vloeistof is. Maar geen enkel schuim is wiskundig droog. Echt schuim bevat veel vloeistof, dus al deze mechanismen worden op een cruciale manier veranderd, en we proberen erachter te komen hoe dat gaat. Als je de basis begrijpt, dan moet het mogelijk zijn om al deze toepassingen te verbeteren waar het zo belangrijk is om precies te kunnen controleren hoe snel de verruwing plaatsvindt."

Durian zei dat hij het leuk vindt om schuim te bestuderen omdat, in tegenstelling tot andere verre van evenwichtssystemen, voorbereiding geschiedenis doet er niet toe.

"Ik kan schuim op elke oude manier maken en als ik een tijdje wacht, zal het zijn geschiedenis wissen, "zei hij. "Het heeft zijn eigen evolutie die ons naar deze reproduceerbare staat brengt, dus het is een manier om een ​​ongeordend materiaal te krijgen dat perfect reproduceerbaar is. Ik vind het ook geweldig dat de fysica wordt bestuurd door geometrie. Deze zeepfilms zijn minimale oppervlakken met constante kromming. Er zijn topologieregels voor hoe de films zijn verbonden, dus de geometrie en topologie van de microstructuur wordt bepaald door prachtige wiskunde. Onafhankelijk van de grootte van de bel of de chemische samenstelling, het zijn gewoon heerlijk ideale willekeurige materialen om over na te denken."