הקצף הוא הדרך של הטבע להפוך בירה לטעימה עוד יותר. אולם לא כל הקצף מובן כי נראה שהם לא מצייתים לדגם שמסביר את רוב השאר. הבנת הקצפים הלא טיפוסיים הללו חשובה, מכיוון שהם חלים לעתים קרובות בתעשיות עיבוד המזון והפטרוכימיה. אז יש נייר חדש שאומר לנו מה שמאפשר לקצפים האלה לשרוד עשוי להיות בעל עניין יותר מאשר אקדמי.
קצף עם סיבה
קצף וקצף נוצרים כאשר מערבבים שני נוזלים שונים עם גז כגון אוויר. אבל לא כל שילובי הנוזלים יאפשרו להיווצר קצף, לא משנה כמה תכהו בו חזק - אני מסתכל עליכם, מרנגים ניסיוניים משוקולד מריר. בעוד שקצף הוא למעשה חיה מורכבת למדי, הפיזיקה הבסיסית אינה קשה מדי.
קצף הוא בעצם קבוצה של בועות אוויר, המוקפות בסרטים דקים היוצרים רשת התומכת בעצמה. הסרטים הדקים נתונים לשני כוחות מתחרים. הנוזל הכלוא בממשק מתנקז באיטיות עקב כוח הכבידה. זה גורם לשכבה העוטפת את האוויר להידלדל, מה שיוביל לקריסה בסופו של דבר של הקצף. אבל אובדן הנוזל מואט לעתים קרובות (או אפילו נמנע לחלוטין) על ידי שני גורמים.
בואו נסתכל על דוגמה פשוטה. תערובת של מים וסבון תתמוך בקצף. סבון הוא חומר פעיל שטח עם מתח פנים נמוך, בעוד מים הם נוזל עם מתח פנים גבוה למדי. כאשר הסרט סביב בועת האוויר המכילה אותם מתדלדל, הוא עלול לגרום למולקולות פעילי שטח (הסבון) לדחות זו את זו, ולהרחיב את רוחב הסרט. זה מגדיר כוח נימי שמושך נוזל (מים, במקרה זה) בחזרה לתוך הסרט.
במקרים מסוימים, דילול הממשק יוצר גם שיפוע במתח פני השטח. בעיקרו של דבר, המים מתנקזים החוצה, ומשאירים ריכוז סבון גבוה יותר. אבל לסבון יש מתח פנים נמוך יותר, ולכן יש הבדל במתח הפנים בין אזורי ריכוז הסבון הגבוה לנמוך. זה גורר את המים בחזרה לתוך הסרט. זה שומר על הבועה שהיא עוטפת יציבה.
ההסברים האלה מסתמכים על פעילי שטח, והנקודה העיקרית לגבי פעילי שטח היא שהם לא ממש אוהבים להתערבב עם הנוזל שהם מוכנסים פנימה. מולקולות פעילי השטח מצפות את משטחי הסרטים הדקים, ויוצרות מעין מבנה סנדוויץ' שהוא המפתח לכוחות השומרים על יציבות הקצף.
קצף ללא סיבה
זה הפך את הקצף שנצפה בתערובות של אלכוהול למסתורין, שכן אלה יתערבבו ביסודיות. עוד יותר מביך, תערובות של אלקנים (שמנים במשקלים שונים) לא יקצפו כלל. אבל, ערבבו אלקן כמו דקאן עם מולקולה עגולה כמו טולואן והתערובת תקצף. אף אחד מהנוזלים הללו לא פועל כחומר פעיל שטח, אז איך הם תומכים בקצף?
קבוצה של חוקרים צרפתים גילתה שזה עדיין מסתכם איך פני הנוזל מתנהגים. דמיינו את זה כך: דמיינו תערובת של 50/50 של שני שמנים קלים. השאלה שאתה צריך לשאול היא, "מהו הרכב המשטח?" התשובה המיידית והאינטואיטיבית היא שזה צריך להיות כמעט זהה ב-50/50. אם זה באמת המקרה, אז מתח הפנים של התערובת צריך להיות בדיוק הממוצע של מתח הפנים של שני השמנים.
לגבי שמנים, זה אכן המצב. אבל עבור תערובות אחרות (כמו אלכוהול, או טולואן ודקאן), היחס בין שני הנוזלים שונה על פני השטח בהשוואה לתפזורת. בתחילה, זה לא משנה. אבל כאשר נוצרות בועות, הנוזלים מתחילים להתנקז מהסרטים. עם זאת, ככל שעובי הסרט משתנה, גם הרכב פני השטח משתנה. בעיקרו של דבר, נוזל אחד עוזב את פני השטח מהר יותר מהשני (זה נובע מהשינוי ביחס שטח הפנים לנפח). זה יוצר שיפוע במתח פני השטח, המושך נוזל בחזרה לתוך הסרט, מייצב את הקצף. עם זאת, שיפוע זה יכול להיווצר רק אם מתח פני השטח משתנה באופן לא ליניארי עם יחס התפזורת של שני הנוזלים.
למרבה הפלא, זה גם אומר שבשביל סרטים דקים של תערובות אלה, מתח הפנים (בדרך כלל קבוע עבור כל תערובת נתונה) תלוי בעובי הסרט. זה משהו שלא הייתי מצפה לו - או לפחות יכולתי לצפות לו לסרטים בעובי ננומטר. אבל הסרטים האלה בעובי מיקרומטר.
סיבה לקצף עבורה?
אני יודע שאני נסחף כי אני פשוט אוהב את הפיזיקה הנחמדה. למה הקצף משנה? ובכן, תסיסה והקצפה הם דברים שיש לקחת בחשבון בתהליכים תעשייתיים. ייתכן שמהנדס יצטרך לבנות בזמן שיקוע או לשנות את קצב הזרימה כדי לקחת בחשבון את היווצרות הקצף (שקול את ההבדל בין משיכת בירה למזיגת קולה). עם הבנה טובה יותר של מדוע וכיצד נוצר ומתייצב קצף, ניתן לייעל תהליכים אלו טוב יותר.
מכתבי סקירה פיזית, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.178002 (לגבי DOIs)
