Мягкий материал показал зубы: пена раскрыла скрытый механизм, который ломает классическую физику

Пена начинает стекать, когда пузырьки меняют форму, а не из-за натяжения — JCIS

Новые эксперименты помогли учёным разобраться в загадке, которую пытались объяснить десятилетиями: почему пена начинает терять жидкость гораздо раньше, чем это предсказывают классические физические модели. Оказалось, что её поведение определяется не только поверхностным натяжением, но и тем, как пузырьки меняют форму и положение под давлением. Эти процессы меняют взгляд на работу мягких материалов и на то, как жидкость распределяется в пористых структурах. Об этом сообщает Journal of Colloid and Interface Science (JCIS).

Что скрывается внутри пены

Долгое время считалось, что жидкость стекает из пены только тогда, когда достигается определённая высота конструкции, при которой осмотическое давление становится достаточным для перетекания жидкости через каналы между пузырьками. Но реальные наблюдения противоречили теории: пена высотой всего несколько десятков сантиметров уже начинала терять влагу. Исследователи из Токийского столичного университета решили пересмотреть фундаментальные представления о работе таких материалов.

"Образование дренажа определяется не поверхностным натяжением, а давлением, необходимым для перестройки пузырьков", — объясняет Рэй Курита.

Команда создала целую библиотеку пен с разными свойствами, варьируя состав поверхностно-активных веществ, и изучила их между прозрачными пластинами. Когда пена достигала момента начала стекания, учёные увидели, что жидкость не просто просачивается сквозь сеть каналов: пузырьки активно меняют расположение, создавая условия для движения влаги. Это открытие помогает лучше понять и другие системы, в которых микроструктуры играют ключевую роль, например поведение электронных структур, когда электроны на поверхности золота образуют спиновые кольца.

Почему старые модели перестали работать

Классическая теория предполагала, что, чтобы достичь предела абсорбции, пена должна быть почти метровой высоты. Но связь между высотой и моментом дренажа оказалась намного тоньше. Исследователи выяснили, что ключевым фактором является жидкая фракция: чем её меньше, тем раньше начинается стекание. И что особенно важно, этот эффект оказался независимым от состава поверхностно-активного вещества или размера пузырьков.

"Мы нашли универсальное правило: высота начала стекания обратно пропорциональна жидкой фракции", — отметил один из сотрудников проекта.

Когда учёные пересмотрели данные через призму наблюдений, а не только теоретических формул, стало ясно: реальным ограничивающим параметром является не осмотическое давление, а "предел текучести". Именно давление, при котором пузырьки вынуждены менять форму и сдвигаться, позволяет жидкости начать движение вниз. Такой же принцип наблюдается в других областях физики материалов, например при создании структур, которые меняют свойства под действием света, как в исследованиях о том, как графен используется для управления светом.

Новое объяснение поведения мягких материалов

Открытие японских исследователей меняет основу представлений о дренажных процессах. Жидкость в пене больше нельзя рассматривать как поток, который проходит сквозь фиксированную сеть каналов. Напротив, структура самой сети начинает двигаться — пузырьки перестраиваются, увеличивая или уменьшая просветы, а это полностью меняет расчёты предельных давлений. Такой подход открывает возможности для разработки пен с новыми свойствами: более стабильных, более пористых или, наоборот, удерживающих влагу.

Пены играют значительную роль в химической, пищевой и фармацевтической промышленности. Поэтому понимание механики их работы помогает создавать продукты, которые сохраняют структуру, лучше удерживают активные вещества или быстрее распадаются. Новые данные могут стать основой для инженерных решений в области моющих средств, медицинских препаратов и материалов с регулируемой вязкостью.

Сравнение классической и новой моделей дренажа

Традиционная модель:
Классическая теория предполагает, что жидкость начинает стекать, когда осмотическое давление достигает определённой величины, зависящей от размера пузырьков и поверхностного натяжения.

Новая модель:
Установлено, что ключевым фактором является перестройка пузырьков под давлением, а высота начала стекания зависит от жидкой фракции, а не от размера или состава пузырьков.

Разница между моделями показывает, что процессы в пенах намного динамичнее, чем считалось раньше. Новая модель лучше объясняет эксперименты и может применяться в инженерных расчётах.