Sia che si beva birra, mangiare il gelato o lavare i piatti, è giusto dire che molte persone incontrano la schiuma ogni giorno. È in tutto, dai detersivi alle bevande ai cosmetici. Al di fuori della quotidianità, ha applicazioni in settori quali antincendio, isolare materiali tossici e distribuire prodotti chimici. Ma c'è ancora molto da imparare su questo materiale onnipresente.

"Le schiume sono i materiali disordinati casuali ideali della natura, " ha detto Douglas Durian, professore di fisica alla School of Arts and Sciences dell'Università della Pennsylvania. "Solidi ordinati, materiali con una struttura cristallina sottostante, sono facili da descrivere. Dove non sappiamo molto, ma stanno ancora imparando, è in sistemi disordinati e lontani dall'equilibrio, e questo è tutto per una T. Potresti plausibilmente fare una schiuma ordinata soffiando singole bolle tutte della stessa dimensione e impilandole come palle di cannone, ma saresti obbligato a fare un piccolo errore. Se una bolla è infinitamente più piccola di tutte le altre, sarà sotto pressione più alta, e comincerà a rimpicciolirsi. Si evolve naturalmente in questo stato disordinato in cui è polidisperso, ed è semplicemente stupendo."

Poiché le schiume sono spesso utilizzate nell'industria, raggiungere una migliore comprensione fondamentale del materiale consentirà alle persone di controllarne la stabilità, manipolandolo per farlo durare più a lungo in modo che possa svolgere meglio la sua funzione. Potrebbe anche destabilizzarlo e impedirgli di spuntare in luoghi indesiderati. Ad esempio, ogni volta che si devono trattare liquidi nell'industria, la velocità con cui ciò avviene è limitata dalla formazione di schiuma.

Guardando un film in time-lapse di una schiuma quasi bidimensionale, si potrebbe notare che si evolve nel tempo, le singole bolle all'interno che cambiano forma lentamente. Infine, la dimensione media delle bolle nella schiuma cresce, un fenomeno che si chiama ingrossamento. Questo ingrossamento fornisce alla schiuma un modo per sbarazzarsi della superficie. Durian e Cody Schimming, una specializzazione in fisica della Penn e ora una laureanda all'Università del Minnesota, hanno pubblicato un articolo in Revisione fisica E che indaga come il grado di umidità di una schiuma influenzi questo fenomeno.

Per capire questo, si può pensare a una miscela di acqua e sapone. Se uno spruzzasse un po' di shampoo o detersivo in una bottiglia d'acqua con qualche goccia di colorante alimentare giallo e lo scuotesse, la bottiglia si riempirebbe rapidamente di schiuma.

"Se lo guardassi da vicino, "Duriano ha detto, "vedresti che le minuscole bolle erano molto sottili e asciutte e una specie di poliedrica in alto. Mentre scendi, vedresti più colore perché contiene più liquido. Noteresti anche che le bolle dove è più giallo sono in realtà più rotonde. Quindi passano dall'essere bloccati e poliedrici a essenzialmente non bloccati e sferici verso il basso".

Chiudere la schiuma sarebbe asciutta e ciuffo verso l'alto, composto da bastoncini, chiamati confini dell'Altopiano, dove tre film si incontrano. Man mano che la schiuma si bagna verso il basso, quei bastoncini diventano più spessi fino a quando iniziano a diventare sferici. Questa gradazione di struttura, Durian ha detto, è lo stesso indipendentemente da cosa c'è nella schiuma o dalla dimensione delle bolle.

Come il tempo passa, sempre più liquido si accumulerà sul fondo della bottiglia. Ci sono tre diversi meccanismi che causano la separazione del gas e del liquido. Uno di questi è la rottura del film, o bolle che scoppiano. Poiché questo processo è causato dall'evaporazione, non accadrà nella bottiglia sigillata. Il secondo meccanismo è il drenaggio gravitazionale:la gravità spinge il liquido verso il basso e le bolle risalgono. Questo è ciò che sta causando la separazione nella bottiglia.

Ma sarebbe possibile eliminare il drenaggio gravitazionale se la schiuma fosse posta in un ambiente di microgravità, come quello della Stazione Spaziale Internazionale. In questo caso, l'ingrossamento diventa il colpevole quando il gas si diffonde da piccole bolle ad alta pressione a bolle più grandi a bassa pressione.

"Quello che la gente pensava, " disse Durian, "era che questi confini dell'Altopiano avrebbero bloccato totalmente la diffusione del gas, e che la diffusione del gas sarebbe passata solo attraverso le finestre della pellicola di sapone. Quello che Cody ha fatto è stato risolvere numericamente l'equazione della diffusione per capire cosa sta succedendo all'interno di questi confini dell'Altopiano. Si potrebbe intuire che la corrente diffusiva del gas attraverso i bordi dell'Altopiano è proporzionale al reciproco del loro spessore e quindi è trascurabile. Ma Cody ha mostrato che in realtà è proporzionale al reciproco della radice quadrata del prodotto dello spessore del bordo e dello spessore del film. Poiché i film sono così sottili, la corrente di gas che attraversa il confine è quindi lontana, molto più grande di quanto si supponesse".

I ricercatori hanno applicato ciò che hanno scoperto a una legge per il tasso di variazione dell'area della bolla del matematico e fisico John von Neumann. Secondo la legge di von Neumann, il tasso di variazione dell'area è uguale al numero di lati meno sei. Ci si potrebbe aspettare che la velocità con cui la bolla scambia gas con i suoi vicini dipende da cose come le sue dimensioni e la sua forma, ma, secondo la legge di von Neuman, la topologia è l'unica cosa importante. Nella loro carta, Durian e Schimming hanno rivisitato questo argomento e hanno incorporato ciò che hanno appreso sul blocco delle frontiere e sull'attraversamento delle frontiere per vedere come viene modificato.

"Ci sono questi tre meccanismi e stiamo cercando di capire i fondamenti di come funzionano, " Ha detto Durian. "Abbiamo una buona immagine dalla legge di von Neumann su come le schiume secche diventano grossolane. La legge di von Neumann si applica solo a questo limite ideale che non c'è liquido. Ma nessuna schiuma è matematicamente secca. Le vere schiume contengono molto liquido, quindi tutti questi meccanismi vengono modificati in qualche modo cruciale, e stiamo cercando di capire come va. Se riesci a capire i fondamenti, allora dovrebbe essere possibile migliorare tutte queste applicazioni in cui è così importante essere in grado di controllare esattamente la velocità con cui avviene l'ingrossamento."

Durian ha detto che gli piace studiare le schiume perché, a differenza di altri sistemi lontani dall'equilibrio, la storia della preparazione non ha importanza.

"Posso fare la schiuma alla vecchia maniera e se aspetto un po' cancellerà la sua storia, " ha detto. "Ha una sua evoluzione che ci porta a questo stato riproducibile, quindi è un modo per ottenere un materiale disordinato che è perfettamente riproducibile. Mi piace anche che la fisica sia controllata dalla geometria. Queste pellicole di sapone sono superfici minime di curvatura costante. Ci sono regole di topologia per come i film sono collegati, quindi la geometria e la topologia della microstruttura sono governate da una bella matematica. Indipendentemente dalle dimensioni della bolla o dalla composizione chimica, sono solo materiali casuali meravigliosamente ideali a cui pensare."