Seja bebendo cerveja, tomando sorvete ou lavando a louça, é justo dizer que muitas pessoas se deparam com a espuma no dia-a-dia. Está em tudo, desde detergentes a bebidas e cosméticos. Fora da vida cotidiana, tem aplicações em áreas como combate a incêndios, isolar materiais tóxicos e distribuir produtos químicos. Mas ainda há muito a aprender sobre esse material onipresente.

"As espumas são os materiais desordenados aleatórios ideais da natureza, "disse Douglas Durian, professor de física na Escola de Artes e Ciências da Universidade da Pensilvânia. "Sólidos ordenados, materiais com uma estrutura cristalina por baixo, são fáceis de descrever. Onde não sabemos muito, mas ainda estão aprendendo, está em sistemas desordenados e longe do equilíbrio, e isso é isso para um T. Você poderia concebivelmente fazer uma espuma ordenada soprando bolhas individuais todas do mesmo tamanho e empilhando-as como balas de canhão, mas você cometerá um pequeno erro. Se uma bolha for infinitesimalmente menor do que todas as outras, estará sob maior pressão, e vai começar a encolher. Evolui naturalmente para este estado desordenado, onde é polidisperso, e é simplesmente lindo. "

Uma vez que as espumas são frequentemente utilizadas na indústria, alcançar um melhor entendimento fundamental do material permitirá que as pessoas controlem sua estabilidade, manipulando-o para durar mais tempo para que possa desempenhar melhor sua função. Também pode desestabilizá-lo e evitar que apareça em lugares indesejáveis. Por exemplo, sempre que for necessário processar líquidos na indústria, a taxa em que isso é feito é limitada pela espuma.

Assistindo a um filme de lapso de tempo de uma espuma quase bidimensional, pode-se notar que ele evolui com o tempo, as bolhas individuais mudam lentamente de forma. Eventualmente, o tamanho médio da bolha na espuma aumenta, um fenômeno que é chamado de engrossamento. Este engrossamento fornece à espuma uma maneira de se livrar da área da superfície. Durian e Cody Schimming, um graduado em física da Penn e agora um estudante de graduação na Universidade de Minnesota, publicou um artigo em Revisão Física E que investiga como o grau de umidade de uma espuma afeta esse fenômeno.

Para entender isso, pode-se pensar em uma mistura de água e sabão. Se alguém derramar um pouco de xampu ou detergente em uma garrafa de água com algumas gotas de corante alimentício amarelo e sacudir, a garrafa rapidamente se enchia de espuma.

"Se você olhar de perto, "Durian disse, "você veria que as pequenas bolhas eram muito finas e secas e meio poliédricas no topo. À medida que você desce, você veria mais cor porque há mais líquido nele. Você também notaria que as bolhas abaixo onde é mais amarelo são realmente mais arredondadas. Assim, eles passam de congestionados e poliédricos para essencialmente não congestionados e esféricos perto do fundo. "

De perto, a espuma ficaria seca e rala no topo, consistindo em pequenos gravetos, chamadas de fronteiras do planalto, onde três filmes se encontram. Conforme a espuma fica mais úmida na parte inferior, essas varetas ficam mais grossas até começarem a se tornar esféricas. Esta gradação de estrutura, Durian disse, é o mesmo, independentemente do que está na espuma ou do tamanho das bolhas.

Conforme o tempo passa, mais e mais líquido se acumulará no fundo da garrafa. Existem três mecanismos diferentes que fazem com que o gás e o líquido se separem. Um deles é a ruptura do filme, ou bolhas estourando. Como esse processo é causado pela evaporação, não ocorrerá na garrafa lacrada. O segundo mecanismo é a drenagem gravitacional:a gravidade puxa o líquido para baixo e as bolhas sobem. É isso que está causando a separação na garrafa.

Mas seria possível eliminar a drenagem gravitacional se a espuma fosse colocada em um ambiente de microgravidade, como o da Estação Espacial Internacional. Nesse caso, o engrossamento torna-se o culpado, pois o gás se difunde de pequenas bolhas de alta pressão para bolhas maiores de baixa pressão.

"O que as pessoas costumavam presumir, "disse Durian, "era que essas fronteiras do planalto bloqueariam totalmente a difusão do gás, e essa difusão de gás só iria através das janelas de filme de sabão. O que Cody fez foi resolver a equação de difusão numericamente para descobrir o que está acontecendo dentro das fronteiras do planalto. Você pode supor que a corrente difusora de gás através das bordas do Platô é proporcional ao recíproco de sua espessura e, portanto, é desprezivelmente pequena. Mas Cody mostrou que na verdade é proporcional ao recíproco da raiz quadrada do produto da espessura da borda e da espessura do filme. Como os filmes são tão finos, a corrente de gás que atravessa a fronteira é, portanto, longe, muito maior do que se supõe. "

Os pesquisadores aplicaram o que descobriram a uma lei para a taxa de variação da área de bolha do matemático e físico John von Neumann. De acordo com a lei de von Neumann, a taxa de variação da área é igual ao número de lados menos seis. Pode-se esperar que a rapidez com que a bolha está trocando gás com seus vizinhos dependeria de coisas como seu tamanho e forma, mas, de acordo com a lei de von Neuman, a topologia é a única coisa importante. Em seu jornal, Durian e Schimming revisitaram esse argumento e incorporaram o que aprenderam sobre bloqueio e travessia de fronteira para ver como ele é modificado.

"Existem esses três mecanismos e estamos tentando entender os fundamentos de como eles funcionam, "Durian disse." Temos uma boa imagem da lei de von Neumann sobre como as espumas secas ficam mais grossas. A lei de von Neumann se aplica apenas a esse limite ideal de que não há líquido. Mas nenhuma espuma é matematicamente seca. As espumas reais contêm muito líquido, então, todos esses mecanismos são alterados de alguma forma crucial, e estamos tentando descobrir como isso funciona. Se você pode entender os fundamentos, então, deve ser possível melhorar todas essas aplicações onde é tão importante ser capaz de controlar exatamente a rapidez com que o engrossamento ocorre. "

Durian disse que gosta de estudar espumas porque, ao contrário de outros sistemas longe do equilíbrio, o histórico de preparação não importa.

"Eu posso fazer espuma de qualquer maneira e se eu esperar um pouco ela apagará sua história, "disse ele." Tem uma evolução própria que nos leva a este estado reproduzível, então é uma forma de obter um material desordenado que é perfeitamente reproduzível. Também adoro que a física seja controlada pela geometria. Esses filmes de sabão são superfícies mínimas de curvatura constante. Existem regras de topologia para como os filmes são conectados, portanto, a geometria e a topologia da microestrutura são governadas por uma bela matemática. Independentemente do tamanho da bolha ou da composição química, são apenas materiais aleatórios maravilhosamente ideais para se pensar. "