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Aug 06, 2023

Spreizen oder gleiten? Wissenschaftler entdecken, wie f

Entschlüsseln, wie weiche Materialien mit einer Platte verteilt werden Bild der Tokyo Metropolitan University: Mit zunehmender Plattengeschwindigkeit wird der Schaum nicht mehr gleichmäßig verteilt, sondern gleitet auf einer Flüssigkeitsschicht entlang.

Entschlüsseln, wie weiche Materialien mit einem Teller verteilt werden

Tokyo Metropolitan University

Bild: Mit zunehmender Plattengeschwindigkeit wird der Schaum nicht mehr gleichmäßig verteilt, sondern gleitet auf einer Flüssigkeitsschicht entlang. Bei noch höheren Geschwindigkeiten bleibt eine dünne Schaumspur zurück.mehr sehen

Bildnachweis: Tokyo Metropolitan University

Tokio, Japan – Forscher der Tokyo Metropolitan University haben die Physik hinter der Ausbreitung von Schäumen auf Oberflächen aufgedeckt. Auf einer flachen Unterlage platzierte Schaumkügelchen wurden mit einer Platte darüber geschabt und beobachtet. Sie identifizierten unterschiedliche Muster, die stark von der Kratzgeschwindigkeit abhängen und durch konkurrierende physikalische Phänomene bestimmt werden. Ihre Erkenntnisse gelten für alle Arten von weichen Materialien, die gleichmäßig auf Oberflächen verteilt werden müssen, von Mayonnaise auf Brot bis hin zu Isolierungen an Wänden.

Ob Rasierschaum, Isolierschaum in Wänden oder Margarine auf Toast: Das Auftragen weicher Materialien auf ebenen Flächen ist ein wichtiger Prozess, sowohl aus praktischer, alltagsbezogener Sicht als auch zur Optimierung industrieller Prozesse. Dennoch ist überraschend wenig über das Ausbreitungsverhalten von Schäumen bekannt, insbesondere wenn es darum geht, wie eine flache Klinge oder Platte es über die Oberfläche in eine Schicht schabt.

Dies inspirierte Forscher unter der Leitung von Professor Rei Kurita von der Tokyo Metropolitan University, einen genaueren Blick auf die Vorgänge zu werfen. Sie bildeten auf einer ebenen Fläche kleine Kuppeln aus Reinigungsmittelschaum und kratzten sie mit einer Acrylplatte darüber, wobei sie darauf achteten, den Abstand zwischen der Platte und der Oberfläche konstant zu halten. Der gesamte Vorgang wurde mit einer Videokamera eingehend beobachtet. Kurioserweise entdeckten sie, dass sich die Art und Weise, wie sich der Schaum ausbreitet, vollständig ändert, wenn die Geschwindigkeit der Platte variiert wird, und wie viel Affinität die Flüssigkeit im Schaum zur Oberfläche hat, d. h. ob sie hydrophil (zieht Wasser an) oder hydrophob (abstößt) ist Wasser).

Auf einer hydrophoben Oberfläche verteilt sich der Schaum bei niedrigen Schabegeschwindigkeiten gleichmäßig und erzeugt einen langen Abschnitt mit der gleichen Breite wie die ursprüngliche Kuppel. Wenn jedoch die Geschwindigkeit erhöht wird, breitet sich der Schaum nicht mehr aus, sondern gleitet auf einer dünnen Flüssigkeitsschicht an der Oberfläche entlang; Die Platte bewegt sich entlang und hinterlässt nur sehr wenig Schaum. Bei den höchsten Geschwindigkeiten, die sie versucht haben, kommt schließlich das Ausbreitungsregime zurück, nur dass die Breite des Schaumschweifs jetzt dünner ist als die ursprüngliche Kuppel. Auf einer hydrophilen Oberfläche hingegen gab es keine Spur des ersten Regimes.

Der zwischen den beiden Oberflächen beobachtete Unterschied veranlasste das Team, sich auf den Effekt der „Benetzung“ zu konzentrieren, also darauf, ob die Flüssigkeit im Schaum die Oberfläche gerne bedeckt. Sie konzentrierten sich auf das Erscheinungsbild des Niedriggeschwindigkeitsregimes und stellten fest, dass auf hydrophoben Oberflächen die Reinigungsmittelfilme, aus denen der Schaum besteht, dazu neigen, sich auf der Oberfläche zu verankern, da die Flüssigkeit dazu neigt, zu „entfeuchten“. Es entsteht ein Bild, bei dem der Schaum durch die sich bewegende Platte einfach nach und nach von der Kuppel ausgebreitet wird. Wenn der Schaum jedoch schnell genug über die Oberfläche gedrückt wird, um die Oberfläche zu benetzen, weist der Schaum nun eine Gleitschicht an der Basis auf. Wände im Schaum, auch Plateauränder genannt, können sich nicht mehr am Untergrund festhalten und verriegeln. Aus diesem Grund hinterlässt eine schnellere Platte einen dünnen Schaumabschnitt dort, wo sich ursprünglich die Kuppel befand, schiebt den Rest jedoch auf eine dünne Flüssigkeitsschicht und hinterlässt nichts als eine Flüssigkeitsspur. Bei der Untersuchung wurde nicht nur die Plattengeschwindigkeit untersucht, sondern auch der Einfluss der Spaltbreite und der Dicke der Platte.

Die Ergebnisse des Teams werfen Licht auf die weniger bekannten Teile eines Alltagsphänomens, das erhebliche potenzielle Auswirkungen nicht nur auf Schäume, sondern auf ein breiteres Spektrum weicher Materialien hat, sei es Farbe, Schutzbeschichtungen oder Mayonnaise.

Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI Grant Numbers 20K14431, 17H02945 und 20H01874 unterstützt.

Zeitschrift für Kolloid- und Grenzflächenwissenschaft

10.1016/j.jcis.2023.07.023

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