Gli ingegneri chimici dell'Università dell'Illinois di Chicago e della UCLA hanno risposto a domande di vecchia data sui processi sottostanti che determinano il ciclo di vita delle schiume liquide. La svolta potrebbe aiutare a migliorare la produzione commerciale e l'applicazione di schiume in un'ampia gamma di settori.

I risultati della ricerca sono stati presentati questo mese in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.

Le schiume sono un fenomeno familiare nella vita di tutti i giorni:mischiare saponi e detersivi nell'acqua quando si lavano i piatti, soffiare bolle dai giocattoli di acqua saponata, sorseggiando la schiuma da una tazza di latte macchiato o frappè. Le schiume liquide possono verificarsi in una varietà di ambienti naturali e artificiali. Mentre alcune schiume sono prodotte naturalmente, come in specchi d'acqua che creano grandi fioriture oceaniche sulle spiagge, altri sorgono nei processi industriali. Nel recupero e fermentazione dell'olio, Per esempio, le schiume sono un sottoprodotto.

Ogni volta che l'acqua saponata viene agitata, si formano schiume. Sono per lo più sacche di gas separate da sottili film liquidi che spesso contengono minuscoli aggregati molecolari chiamati micelle. sporco oleoso, Per esempio, viene lavato via nascondendosi nei nuclei idrofobici delle micelle. Inoltre, la digestione dei grassi nel nostro corpo si basa sul ruolo delle micelle formate dai sali biliari.

Col tempo, le schiume si dissipano quando il liquido all'interno delle pellicole sottili viene spremuto. Le molecole di sapone e detergente che sono per loro stessa natura anfifiliche (idrofile e idrofobe) si aggregano all'interno dell'acqua per formare micelle sferiche, con le loro teste rivolte verso l'esterno essendo code idrofile e idrofobiche che formano il nucleo.

"Le micelle sono minuscole, ma influente, non solo nel pulire e solubilizzare le molecole oleose, ma anche nell'influenzare i flussi all'interno dei film di schiuma, " ha detto il co-investigatore principale Vivek Sharma, professore associato di ingegneria chimica presso l'UIC College of Engineering. Per quasi un decennio, ha perseguito la questione di come e perché la presenza di micelle porti a un diradamento graduale, o stratificazione, all'interno di film di schiuma ultrasottili e bolle di sapone.

Per risolvere l'enigma, Sharma e i suoi collaboratori hanno sviluppato metodi di imaging avanzati chiamati protocolli IDIOM (interferometry digital imaging optical microscopy) che vengono implementati con fotocamere reflex digitali a obiettivo singolo (DLSR) ad alta velocità. Hanno scoperto che i film di schiuma hanno un ricco, topografia in continua evoluzione, e le differenze di spessore tra i diversi strati sono molto maggiori della dimensione delle micelle.

"Abbiamo usato una tecnica di precisione chiamata diffusione di raggi X a piccolo angolo per risolvere la forma delle micelle, dimensioni, e densità, " ha detto il co-investigatore principale Samanvaya Srivastava, un assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la UCLA Samueli School of Engineering. "Abbiamo scoperto che lo spessore del film di schiuma diminuisce con salti discreti, con ogni salto corrispondente alla distanza esatta tra le micelle nel film liquido."

Il team ha anche scoperto che la disposizione delle micelle nei film di schiuma è governata principalmente dalle interazioni ioniche tra le micelle. L'attrazione e la repulsione elettrostatica tra gli ioni influenza la durata della stabilità delle schiume e il decadimento della loro struttura. Con questi riscontri, i ricercatori hanno determinato che misurando semplicemente lo spessore del film di schiuma, che può essere realizzato con una fotocamera DSLR utilizzando i protocolli DIOM, potrebbero caratterizzare sia le interazioni su scala nanometrica delle micelle nei liquidi sia la stabilità delle schiume.

Rispetto alle tecniche precedenti che richiedono più tempo e costose, attrezzatura personalizzata, il nuovo metodo non è solo meno costoso, ma è anche più completo ed efficiente.

"La conoscenza e la comprensione potrebbero aiutare nello sviluppo di nuovi prodotti, dal cibo e la cura personale ai prodotti farmaceutici, " hanno affermato i co-autori principali dello studio, i dottorandi Shang Gao dell'UCLA Samueli e Chrystian Ochoa dell'UIC. "Potrebbe anche aiutare gli ingegneri a migliorare il controllo delle schiume nei processi industriali".