Исследователи описали физику распределения пены по поверхности

Исследователи из Tokyo Metropolitan University раскрыли физику распределения пены по поверхности. Для этого они соскабливали пластиной и наблюдали за шариками пенопласта, помещенными на плоскую подложку.

Ученые выявили различные закономерности, которые сильно зависят от скорости соскабливания и управляются конкурирующими физическими явлениями. Полученные результаты применимы ко всем видам мягких материалов, которые необходимо равномерно распределить по поверхности, — от майонеза на хлебе до утеплителя на стенах.

Будь то пена для бритья, утеплитель в стенах или маргарин на тосте, распределение мягких материалов по плоским поверхностям является важным процессом как с практической, бытовой точки зрения, так и для оптимизации промышленных процессов. Однако о поведении пенопластов при растекании известно на удивление мало, особенно когда речь идет о том, как плоская лопатка или пластина может соскрести его по поверхности в слой.

Это вдохновило исследователей под руководством профессора Рея Куриты (Rei Kurita) из Токийского университета (Tokyo Metropolitan University) на более детальное изучение происходящего. Они создали на плоской поверхности небольшие купола из пены моющего средства и соскребли их акриловой пластиной, следя за тем, чтобы расстояние между пластиной и поверхностью оставалось неизменным. За всем этим процессом велось углубленное наблюдение с помощью видеокамеры. Любопытно, что при изменении скорости движения пластины полностью меняется способ растекания пены, а также степень сродства жидкости в пене к поверхности, т.е. гидрофильность (притягивание воды) или гидрофобность (отталкивание воды).

На гидрофобной поверхности при малых скоростях скребка пена растекается равномерно, образуя длинный участок такой же ширины, как и исходный купол. Однако при увеличении скорости пена уже не растекается, а движется по поверхности на тонком слое жидкости; пластина движется, оставляя за собой совсем немного пены. Наконец, при самых высоких скоростях, на которых проводились испытания, режим растекания возвращается, только теперь ширина хвоста пены тоньше, чем первоначальный купол. С другой стороны, на гидрофильной поверхности от первого режима не осталось и следа.

Разница, наблюдаемая между двумя поверхностями, заставила команду сосредоточиться на эффекте «смачивания», т.е. на том, любит ли жидкость в пене покрывать поверхность. Сфокусировавшись на появлении низкоскоростного режима, они обнаружили, что на гидрофобных поверхностях пленки моющего средства, входящие в состав пены, стремятся закрепиться на поверхности, поскольку жидкость имеет тенденцию к „смачиванию“. Возникает картина, при которой пена просто постепенно вытесняется из купола пластиной по мере ее движения.

Однако если пена движется достаточно быстро, чтобы смочить поверхность, то у ее основания появляется смазочный слой. Стенки в пене, также известные как границы плато, уже не могут захватить подложку и зафиксироваться на месте. Вот почему при ускоренном движении пластины на месте первоначального купола остается тонкий участок пены, а остальная часть проталкивается по тонкому слою жидкости, не оставляя за собой ничего, кроме следа. В ходе исследования изучалась не только скорость вращения пластины, но и влияние ширины зазора и толщины пластины.

Полученные командой результаты проливают свет на малоизвестные детали повседневного явления, оказывая значительное потенциальное влияние не только на пенопласты, но и на широкий спектр мягких материалов, будь то краска, защитные покрытия или майонез.

Результаты опубликованы в издании Journal of Colloid and Interface Science.

29.07.2023