Физики из Токийского столичного университета установили причины вымывания жидкости из пены, разрешив многолетний научный спор. Ранее существующие модели значительно переоценивали высоту пенного слоя, необходимую для начала процесса дренажа. Исследователи выяснили, что определяющим фактором является не просто перемещение жидкости через структуру, а давление, вызывающее перегруппировку самих пузырьков.
Любая бытовая или промышленная пена состоит из плотно упакованных пузырьков, разделенных тонкими жидкими пленками. Долгое время в научном сообществе доминировала гипотеза, согласно которой этот процесс зависит от осмотического давления – меры изменения энергии при сжатии пузырьков. Согласно теоретическим расчетам, дренаж должен был начинаться при высоте пены около метра, однако в действительности это происходит уже при двадцати–тридцати сантиметрах.
Команда под руководством профессора Рэя Куриты провела серию экспериментов с использованием различных типов поверхностно-активных веществ. Разместив пену между прозрачными пластинами, ученые зафиксировали на видео внутренние процессы в структуре. Оказалось, что высота, при которой начинается утечка, обратно пропорциональна содержанию жидкости и не зависит от размера пузырьков или типа реагента. Эффективное давление в системе оказалось значительно ниже предсказанного классическими моделями.
Ключевое наблюдение показало, что жидкость в пене не течет по статичным каналам. Вместо этого она провоцирует движение и смещение самих пузырьков. Авторы работы пришли к выводу, что процессом управляет предел текучести – минимальное напряжение, необходимое для деформации структуры. Новая модель позволяет точно предсказывать момент начала дренажа, рассматривая пену как динамическую систему.
Эти выводы корректируют фундаментальные представления о поведении мягких материалов. Уточнение механизмов устойчивости пен поможет в разработке новых видов продукции – от чистящих средств до фармацевтических препаратов с заданными свойствами. Исследование было проведено при финансовой поддержке Японского общества содействия науке.