News

Когато морската вода удари брега, тя се разбърква и образува пяна. Тази смес от вода и въздух занимава експертите от десетилетия. В сладката вода това явление е много по-слабо изразено - въздушните мехурчета, които се образуват в нея, са толкова краткотрайни, че не се образува пенесто вещество.

Група физици, с ръководител Бо Лиу от Университета на Алберта в Едмънтън, са опитали да разрешат тази мистерия. Както те описват в работата си, публикувана в Physical Review Letters , силите между йоните в солената вода спомагат водата между въздушните мехурчета да се оттича по-бавно.

Морската вода не е единственото вещество, което се пени. Всъщност това е общо свойство на електролитите: течности, в които йоните са разтворени и могат да се движат свободно. Поради това експертите отдавна подозират, че заредените частици са отговорни за устойчивостта на въздушните мехурчета в течностите. Но точният механизъм, който води до това, не беше известен досега. Напротив: предишните модели предполагат, че разтворените йони трябва да ускорят разпадането на въздушните мехурчета.

Въздушните мехурчета влияят на поведението на течностите, включително способността им да провеждат топлина. Тези свойства играят важна роля в много промишлени процеси, като производството на ваксини или извличането на минерали. Ето защо експертите се интересуват от по-доброто разбиране на процесите.

Когато два въздушни мехурчета в течност се доближат един до друг, те могат да се деформират на определено разстояние (няколко микрометра), като притискат тънък слой течност между тях, който постепенно изместват, докато двете мехурчета накрая се долепят.

Лиу и колегите му решават да наблюдават тънкият слой течност между въздушните мехурчета по-отблизо. За да направят това, те провеждат няколко експеримента: Използвайки тънка тръба, те изпомпат въздушно мехурче с диаметър два милиметра през течност със скорост от три милиметра в секунда - право към друго мехурче, прикрепено към силиконова повърхност. За да наблюдават събитията отблизо, Лиу и колегите му насочват лъч светлина и записват резултата с високоскоростна камера. Вълновите движения на тънкия слой течност между мехурчетата образуват интерференчен модел, който те могат да оценят. По този начин учените успяват да наблюдават как слоят вода между двете въздушни мехурчета изтънява и се оттича.

В чиста вода кръглите мехурчета се движат право един към друг и се сблъскват след около 0,14 милисекунди. Когато експериментът е повторен в разтвор на натриев хлорид, въздушните мехурчета първоначално изглеждат по същия начин: течният филм между мехурчетата бързо изтънява. Но когато ограничаващата течност става с дебелина само около 30 нанометра, поведението се промени внезапно: мехурчетата се деформират рязко, което води до увеличаване на площта на ограничаващия течен слой и остава на място за няколко милисекунди, преди мехурчетата най-накрая да се сблъскат.

Физиците повтарят експеримента с различни концентрации на натриев хлорид и други разтвори. Резултатът по същество е винаги един и същ: разтворените йони изглежда карат въздушните мехурчета да се отблъскват, пречейки на сблъсъка им. Това удължава живота на въздушните мехурчета с около 2 до 14 милисекунди, в зависимост от електролита.

Обяснението на тези наблюдения обаче се оказва изключително трудно. Физикът Роджерио Маника от Университета на Алберта и съавтор на изследването работи върху теоретичното описание на сблъскващи се въздушни мехурчета в продължение на няколко години. Екипът използва допълнителни експериментални данни, събрани от други експерти. Те сравняват повърхностното напрежение на различни електролити с това на водата. Маника, Лиу и колегите му успяват да използват тези резултати, за да разработят математически модел, който изчислява повърхностното напрежение в тънките слоеве течност между въздушните мехурчета.

Техният модел показва, че при дебелина от около 30 до 50 нанометра концентрацията на йони в слоя се променя в сравнение с останалата част от течността. Плътността на йоните между двете въздушни мехурчета е по-висока, отколкото в останалата част от околната среда. Това предотвратява бързото изтичане на тънкия слой.

„Йоните значително забавят сблъсъка на мехурчетата, като удължават живота на тънкия течен филм между мехурчетата“, пояснява Лиу .