Ya sea bebiendo cerveza, comer helado o lavar los platos, Es justo decir que muchas personas se encuentran con la espuma en el día a día. Está en todo, desde detergentes hasta bebidas y cosméticos. Fuera de la vida cotidiana tiene aplicaciones en áreas como la extinción de incendios, aislar materiales tóxicos y distribuir productos químicos. Pero todavía hay mucho que aprender sobre este material omnipresente.

"Las espumas son los materiales desordenados aleatorios ideales de la naturaleza, "dijo Douglas Durian, profesor de física en la Escuela de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania. "Sólidos pedidos, materiales con una estructura cristalina debajo, son fáciles de describir. Donde no sabemos mucho pero todavía estás aprendiendo, está en sistemas que están desordenados y lejos del equilibrio, y eso es todo en una T.Podría concebirse hacer una espuma ordenada soplando burbujas individuales del mismo tamaño y apilándolas como balas de cañón, pero estaría obligado a cometer un pequeño error. Si una burbuja es infinitesimalmente más pequeña que todas las demás, estará bajo mayor presión, y empezará a encogerse. Evoluciona naturalmente a este estado desordenado donde es polidisperso, y es simplemente hermoso ".

Dado que las espumas se utilizan a menudo en la industria, lograr una mejor comprensión fundamental del material permitirá a las personas controlar su estabilidad, manipularlo para que dure más tiempo para que pueda realizar mejor su función. También podría desestabilizarlo y evitar que aparezca en lugares indeseables. Por ejemplo, siempre que haya que procesar líquidos en la industria, la velocidad a la que se hace está limitada por la formación de espuma.

Ver una película de lapso de tiempo de una espuma cuasi bidimensional, uno podría notar que evoluciona con el tiempo, las burbujas individuales dentro de una forma que cambia lentamente. Finalmente, el tamaño medio de las burbujas en la espuma aumenta, un fenómeno que se llama engrosamiento. Este engrosamiento proporciona a la espuma una forma de deshacerse de la superficie. Durian y Cody Schimming, un estudiante de física de Penn y ahora un estudiante de posgrado en la Universidad de Minnesota, han publicado un artículo en Revisión física E que investiga cómo el grado de humedad de una espuma afecta a este fenómeno.

Para entender esto uno puede pensar en una mezcla de agua y jabón. Si se echara un poco de champú o detergente en una botella de agua con unas gotas de colorante amarillo para alimentos y se agitara, la botella se llenará rápidamente de espuma.

"Si lo miras de cerca, "Durian dijo, "verías que las pequeñas burbujas eran muy tenues y secas y una especie de poliédrica en la parte superior. A medida que bajas, verías más color porque contiene más líquido. También notarás que las burbujas hacia abajo donde es más amarillo son en realidad más redondas. Así que pasan de estar atascados y poliédricos a esencialmente sin atascos y esféricos cerca del fondo ".

Cerrar la espuma estaría seca y tenue hacia la parte superior, que consta de palitos, llamadas fronteras de la meseta, donde se encuentran tres películas. A medida que la espuma se vuelve más húmeda hacia el fondo, esos palos se vuelven más gruesos hasta que comienzan a volverse esféricos. Esta gradación de estructura, Durian dijo:es el mismo independientemente de lo que haya en la espuma o del tamaño de las burbujas.

Mientras el tiempo pasa, se acumulará más y más líquido en el fondo de la botella. Hay tres mecanismos diferentes que hacen que el gas y el líquido se separen. Uno de ellos es la rotura de la película, o burbujas estallando. Debido a que este proceso es causado por evaporación, no ocurrirá en la botella sellada. El segundo mecanismo es el drenaje gravitacional:la gravedad empuja el líquido hacia abajo y las burbujas suben. Esto es lo que está provocando la separación en la botella.

Pero sería posible eliminar el drenaje gravitacional si la espuma se colocara en un entorno de microgravedad, como el de la Estación Espacial Internacional. En este caso, el engrosamiento se convierte en el culpable a medida que el gas se difunde desde pequeñas burbujas de alta presión hacia burbujas más grandes de baja presión.

"Lo que la gente solía asumir, "dijo Durian, "era que estas fronteras de Plateau bloquearían totalmente la difusión de gas, y esa difusión de gas solo atravesaría las ventanas de la película de jabón. Lo que hizo Cody fue resolver la ecuación de difusión numéricamente para averiguar qué está pasando dentro de estos límites de Plateau. Puede adivinar que la corriente de difusión de gas a través de los bordes de la meseta es proporcional al recíproco de su espesor y, por lo tanto, es insignificante. Pero Cody demostró que en realidad es proporcional al recíproco de la raíz cuadrada del producto del grosor del borde y el grosor de la película. Dado que las películas son tan delgadas, la corriente de gas que cruza la frontera está por tanto lejos, mucho mayor de lo que se ha supuesto ".

Los investigadores aplicaron lo que descubrieron a una ley para la tasa de cambio del área de la burbuja del matemático y físico John von Neumann. Según la ley de von Neumann, la tasa de cambio de área es igual al número de lados menos seis. Uno podría esperar que la rapidez con la que la burbuja intercambia gas con sus vecinas dependa de factores como su tamaño y forma, pero, según la ley de von Neuman, la topología es lo único importante. En su papel Durian y Schimming revisaron este argumento e incorporaron lo que aprendieron sobre el bloqueo y el cruce de fronteras para ver cómo se modifica.

"Existen estos tres mecanismos y estamos tratando de comprender los fundamentos de cómo funcionan, ", Dijo Durian." Tenemos una buena imagen de la ley de von Neumann acerca de cómo las espumas secas se vuelven más gruesas. La ley de von Neumann se aplica solo a este límite ideal de cero líquido. Pero ninguna espuma está matemáticamente seca. Las espumas reales contienen mucho líquido, por lo que todos estos mecanismos se modifican de una manera crucial, y estamos tratando de averiguar cómo funciona. Si puede comprender los fundamentos, entonces debería ser posible mejorar todas estas aplicaciones en las que es tan importante poder controlar exactamente la rapidez con la que se produce el engrosamiento ".

Durian dijo que le gusta estudiar las espumas porque, a diferencia de otros sistemas lejos del equilibrio, el historial de preparación no importa.

"Puedo hacer espuma de cualquier manera antigua y si espero un rato, borrará su historia, ", dijo." Tiene su propia evolución que nos lleva a este estado reproducible, por lo que es una forma de obtener un material desordenado que es perfectamente reproducible. También me encanta que la física esté controlada por la geometría. Estas películas de jabón son superficies mínimas de curvatura constante. Existen reglas de topología sobre cómo se conectan las películas, de modo que la geometría y la topología de la microestructura se rigen por hermosas matemáticas. Independientemente del tamaño de la burbuja o de la composición química, son simplemente materiales aleatorios maravillosamente ideales en los que pensar ".