Een kom water besprenkeld met pepervlokken staat klaar op Mahesh Bandi's aanrecht in de keuken. Bandi, een professor in de natuurkunde aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), maakt de punt van een eetstokje nat met vloeibare zeep, amusement geschreven op zijn gezicht, en vraagt ​​zijn dinergasten hun voorspellingen:wat zullen de vlokken doen als de zeep het wateroppervlak bereikt?

Hij raakt het eetstokje aan in het water - plotseling, de vlokken vluchten uit het midden van de kom. Dit is maar een heel eenvoudig voorbeeld van het Marangoni-effect, die Bandi bestudeert in zijn laboratorium bij de Collective Interactions Unit van OIST.

Al in 1686 gemeld, het fenomeen is het gevolg van een verschil in oppervlaktespanning - de kwaliteit die ervoor zorgt dat een vloeistofoppervlak zich gedraagt ​​​​als een uitgerekt elastisch membraan. De stof met een hogere oppervlaktespanning trekt sterker dan de stof met een lagere oppervlaktespanning, de vloeistofstroom ernaartoe trekken.

James Thomson, de oudere broer van natuurkundige Lord Kelvin, beschreef het fenomeen in 1855 als "de merkwaardige bewegingen die vaak worden waargenomen in de film van wijn die aan de binnenkant van een wijnglas kleeft." Met dezelfde kracht kunnen schaatsenrijders langs het oppervlak van een vijver glijden, en, zoals Bandi laat zien, zorgt ervoor dat vlokken over water bewegen. Nog, ondanks zijn alomtegenwoordigheid, het Marangoni-effect is ongrijpbaar.

"Je ziet het in je keuken, maar het is notoir moeilijk te kwantificeren, " zei Bandi. In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , hij en zijn collega's presenteren een methode om dit te doen door het fenomeen te bestuderen door middel van drie verschillende onafhankelijke metingen.

Vloeibare zeep doet verschillende dingen wanneer het een kom met water aanraakt:een deel ervan verspreidt zich over het wateroppervlak, terwijl sommige beginnen op te lossen in het water. De onderzoekers ontdekten dat deze factoren - die samen het Marangoni-effect vormen - in verschillende mate kunnen voorkomen.

Bandi en zijn collega's werkten vanuit een wiskundig model ontwikkeld door professor aan de Brown University, Shreyas Mandre, die voorspelt hoe een vloeistof zoals water interageert met een oppervlakteactieve stof - een vloeistof zoals zeep of wasmiddel, die een lagere oppervlaktespanning hebben, aan het oppervlak geïntroduceerd. Met behulp van een op maat gemaakte cleanroom, wetenschappers van OIST voerden verschillende experimenten uit om voorspellingen te bevestigen van hoe de vloeistoffen zouden interageren.

Om de beweging van vloeistof te tonen, de onderzoekers gebruikten een rechthoekige bak gevuld met water. Volgende, ze gebruikten een spuit om oppervlakteactieve stof te deponeren, bevat ook kleine deeltjes, op het lucht-water-interface - het exacte oppervlak van het water.

De onderzoekers visualiseerden vervolgens de snelheid van de twee vloeistoffen met behulp van een techniek genaamd Laser Doppler Velocimetry, die veranderingen in de frequentie van lichtgolven detecteert wanneer een laserstraal ze raakt. Ze hebben hun resultaten geverifieerd met twee aanvullende methoden. De wetenschappers maten de verspreiding van de oppervlakteactieve stof door de grenslaag en in het onderliggende water. Ze maten ook de "schuifspanning" of intensiteit waarmee de oppervlakteactieve stof het water sleept.

De onderzoekers ontdekten dat met behulp van hun model, ze konden de snelheid waarmee een oppervlakteactieve stof zich verspreidde nauwkeurig voorspellen. Hun bevindingen passen in een van de twee scenario's:afhankelijk van het feit of de oppervlakteactieve stof al dan niet gemakkelijk oplost, het diffundeerde min of meer snel in het water dan het zich over het wateroppervlak verspreidde.

Eerder werk had gesuggereerd dat een oppervlakteactieve stof sneller in water oplost dan het zich over het oppervlak verspreidt, maar de nieuwe studie toont een complexer beeld van hoe het oplossen en verspreiden van de oppervlakteactieve stof het fenomeen beïnvloedt.

Onderzoekers ontdekten dat deze maatregel afhing van het al dan niet oplossen van de oppervlakteactieve stof. Als, het diffundeerde sneller in het water dan het zich over het oppervlak verspreidde, en zo niet, het verspreidde zich minder snel dan het zich verspreidde.

De studie zet een nieuwe stap in de richting van het begrijpen van een complex en dynamisch fenomeen.

"Theorie is een benadering van de werkelijkheid, maar de echte wereld is rommelig, "zei Bandi. Toch, hij en zijn medewerkers waren in staat om het gedrag van de vloeistoffen in de echte wereld te voorspellen - 'bewijs dat de theorie werkt'.