علماء يفككون لغز تصريف الرغوة بعد عقود من الغموض

تظهر الملاحظات الجديدة أن تصريف الرغوة يتم التحكم فيه عن طريق إعادة ترتيب الفقاعات، وليس نماذج التوتر السطحي التقليدية.

الباحثون في جامعة طوكيو متروبوليتان لقد كشفت عن حل لسؤال طويل الأمد حول كيفية هروب السائل من الرغاوي. تتنبأ نماذج الفيزياء التقليدية بأن الرغاوي يجب أن تكون أطول بكثير قبل أن يتمكن أي سائل من التصريف من القاع، لكن السلوك في العالم الحقيقي يتناقض مع هذه التقديرات.

ومن خلال الفحص الدقيق لكيفية تصرف الرغاوي، اكتشف الفريق أن التصريف يبدأ عندما يكون الضغط مرتفعًا بدرجة كافية لإجبار الفقاعات على تغيير موضعها بدلاً من مجرد دفع السائل عبر شبكة ثابتة. تظهر النتائج التي توصلوا إليها أن حركة الفقاعات تلعب دورًا رئيسيًا في فهم كيفية عمل المواد اللينة.

عندما يتم رش الرغوة على سطح ما، غالبًا ما تظهر قطرات أسفله. يحدث هذا لأن الرغاوي تتكون من فقاعات متراصة بإحكام مفصولة بأغشية سائلة رقيقة، مما يؤدي إلى إنشاء شبكة معقدة من القنوات. يمكن للسائل أن يتدفق عبر هذه الممرات، مما يسمح له إما بترك الرغوة أو سحب سائل إضافي عندما يلامس سائل جديد السطح. النقطة التي يحدث عندها هذا، والمعروفة باسم “الحد الامتصاصي”، تم ربطها تقليديًا بـ “الضغط الأسموزي”، الذي يصف تغير الطاقة الذي يحدث عندما يتم ضغط الفقاعات وتحول مناطق الاتصال بالغاز السائل.

المشكلة مع النماذج الموجودة

أو هكذا كان يعتقد. لسنوات عديدة، ناضل العلماء في الحسابات التي تتنبأ بالطول الذي يجب أن تكون عليه الرغوة حتى يصبح هذا الحد ساري المفعول. تشير التقديرات المستندة إلى الضغط الأسموزي، والذي يعتمد على حجم الفقاعة والتوتر السطحي، إلى أن ارتفاع الرغوة يجب أن يصل إلى متر تقريبًا قبل بدء التصريف. ومع ذلك، فمن الناحية العملية، فحتى الرغوة التي يبلغ طولها بضع عشرات من السنتيمترات فقط يمكن أن تفقد السوائل بسهولة.

تلعب الرغاوي دورًا رئيسيًا في المنتجات اليومية، بدءًا من المنظفات المنزلية وحتى التركيبات الصيدلانية. ولتطوير مواد مصممة لأغراض محددة، مثل الرغاوي التي تحتفظ بالسائل بشكل أكثر فعالية، من الضروري فهم العمليات الفيزيائية الأساسية التي تحكم سلوكها.

كان فريق بقيادة البروفيسور ري كوريتا من جامعة طوكيو متروبوليتان يبحث في الصرف في الرغاوي البسيطة. استخدم الفريق العديد من المواد الخافضة للتوتر السطحي لإنشاء مكتبة من الرغاوي المختلفة بخصائص مختلفة، ووضعها بين ألواح شفافة، ووضعها في وضع مستقيم للكشف عما يحدث بالداخل أثناء تصريفها، إن حدث ذلك على الإطلاق.

أولاً، اكتشفوا سلوكًا عالميًا حيث يتناسب الارتفاع الذي يبدأ عنده التصريف عكسيًا مع الجزء السائل من الرغوة، بغض النظر عن نوع المادة الخافضة للتوتر السطحي أو حجم الفقاعة. وينتج عن تحليلهم لهذا الحد “ضغط اسموزي فعال” يتم عنده الوصول إلى الحد الامتصاصي أقل بكثير مما هو متوقع من أحجام الفقاعات والتوتر السطحي.

اكتشاف العامل المحدد الحقيقي

وبالعودة إلى لوحة الرسم، نظر الفريق مباشرة داخل الرغوة باستخدام كاميرا فيديو. بالنسبة للرغاوي التي وصلت للتو إلى نقطة التصريف، اكتشفوا أن السائل لا يندفع عبر متاهة الوصلات فحسب، بل يتسبب في إعادة ترتيب الفقاعات نفسها. ووجدوا أن الحد الذي يحدث فيه التصريف لا يتم تحديده عن طريق التوتر السطحي، بل عن طريق “إجهاد الخضوع”، وهو مقدار الضغط المطلوب لإعادة ترتيب الفقاعات. والأهم من ذلك أن هذا النموذج يعطي ارتفاعات لتصريف الرغاوي مطابقة للواقع.

هذه النتيجة تقلب الصورة الأساسية لكيفية نظرنا إلى تصريف الرغوة، من صورة ثابتة للسائل يتحرك عبر الفجوات، إلى صورة ديناميكية حيث يمكن للفجوات نفسها أن تتحرك. ويأمل الفريق أن تلهم النتائج التي توصلوا إليها رؤى جديدة حول سلوك المواد اللينة، بالإضافة إلى أساليب تصميم منتجات رغوية أفضل.

المرجع: “الحدود الامتصاصية للرغاوي التي يحكمها الاقتران الحركي بين المحلول والفقاعات” بقلم Aoi Kaneda وRei Kurita، 5 مايو 2025، مجلة الغروانية وعلوم الواجهة.
دوى: 10.1016/j.jcis.2025.137746

تم دعم هذا العمل من خلال منحة JSPS KAKENHI رقم 20H01874.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.