A Multi-scale Investigation of Aqueous Foams Stabilised by PNIPAM Microgels

عالم الفقاعات اللزج

تخيل عالماً لا تنفجر فيه الفقاعات فوراً، بل يمكن هندستها لتدوم، أو تغير شكلها، أو حتى تختفي عند الطلب. هذا هو مجال علم الرغوة (foam science)، وهو فرع من فيزياء المادة اللينة يدرس كيفية اختلاط الغاز والسائل لإنشاء هياكل مثل رغوة الكابتشينو، أو رغوة الشامبو، أو الرغوة المستخدمة في إطفاء الحرائق. في قلب كل فقاعة يوجد غشاء رقيق من السائل يفصل بين جيبين من الهواء. وبدون مساعدة، تكون هذه الأفلام هشة؛ حيث يتسرب السائل بعيداً بسبب الجاذبية، ويتسرب الغاز من الداخل، وتندمج الفقاعات حتى ينهار الهيكل بأكمله. ولإيقاف ذلك، نحتاج إلى "مثبتات" (stabilizers)—وهي جزيئات أو جزيئات دقيقة تعمل عند الحد الفاصل بين الهواء والماء، وتعمل كدرع واقٍ.

لعقود من الزمن، استخدم العلماء جزيئات بسيطة تشبه الصابون (السطوح النشطة - surfactants) أو جزيئات صلبة للقيام بهذه المهمة. ولكن ظهرت فئة جديدة وأكثر إثارة للاهتمام من المثبتات: الميكروجيل (microgels). فكر في هذه الميكروجيلات كإسفنجات مجهرية طرية مصنوعة من سلاسل بوليمرية. وخلافاً للجزيئات الصلبة، يمكن لهذه الإسفنجات أن تتمدد، وتتسطح، وتتعرض للضغط. هناك نوع خاص منها، مصنوع من مادة تسمى (PNIPAM)، وهو "ذكي": إذ يمكنه تغيير حجمه وصلابته عند تغير درجة الحرارة. والسؤال الكبير الذي طرحه الباحثون هو: كيف تؤثر "طراوة" هذه الإسفنجات المجهرية على حياة وموت الرغوة العملاقة؟ إذا جعلنا الإسفنجات أكثر صلابة أو أكثر طراوة، فهل تصبح الرغوة أقوى أم أضعف؟ وهل يمكننا التنبؤ بسلوك دلو ضخم من الرغوة بمجرد النظر إلى فقاعة واحدة أو قطرة ماء صغيرة؟

تجربة الإسفنج الطري

في هذه الدراسة، قرر فريق من العلماء اللعب بـ "طراوة" ميكروجيل (PNIPAM) ليروا كيف يغير ذلك قواعد اللعبة. لقد صنعوا ثلاث نسخ مختلفة من هذه الإسفنجات المجهرية، سُميت MG2 و MG5 و MG10. لم يكن الفرق بينها في الحجم، بل في مدى إحكام نسيج "شبكتها" الداخلية. كان MG2 منسوجاً بشكل فضفاض (طري جداً وطري الملمس)، بينما كان MG10 منسوجاً بإحكام (صلب وجامد). ثم خلطوا هذه الإسفنجات مع الماء ونفخوا غاز النيتروج nitrogen عبرها لإنشاء أعمدة ضخمة من الرغوة، مراقبين سرعة نمو الرغوة ومدة بقائها.

الاكتشاف الكبير: الطري هو الأقوى
كانت النتائج واضحة بشكل مفاجئ: الميكروجيلات الأكثر طراوة وطراوة هي التي صنعت أفضل رغوة.

عندما استخدم الفريق الإسفنجات الأكثر طراوة وسلاسة (MG2)، تكونت الرغوة بشكل أسرع بكثير، مما خلق جبلاً من الفقاعات ذات أحجام صغيرة ومنتظمة وكمية كبيرة من السائل المحتبس بداخلها. في المقابل، عانت الإسفنجات الأكثر صلابة (MG10) في تكوين رغوة مستقرة؛ فقد استغرق بناؤها وقتاً أطول، وكانت الفقاعات أكبر، وانهارت الرغوة بسرعة أكبر.

لفهم سبب حدوث ذلك، لم يكتفِ الباحثون بالنظر إلى الرغوة الكبيرة فحسب؛ بل زادوا في التفاصيل عبر ثلاثة مستويات مختلفة، تماماً مثل المحقق الذي يحل لغزاً من مسرح الجريمة وصولاً إلى بصمة الإصبع.

1. القطرة الواحدة (السطح البيني): أولاً، نظروا إلى قطرة ماء واحدة مغطاة بالميكروجيل. وجدوا أن إسفنجات MG2 الطرية يمكنها الانتشار والتسطح مثل الفطيرة بشكل أفضل بكثير من إسفنجات MG10 الصلبة. ولأنها كانت طرية للغاية، فقد غطت مساحة سطح أكبر وخفضت التوتر السطحي (أي "جلد" الماء) بسرعة كبيرة. الأمر يشبه امتلاك فريق من الأغطية المطاطية التي يمكنها تغطية طاولة كبيرة فوراً، مقابل فريق من الألواح الصلبة التي تترك فجوات. وكلما تم تغطية "الجلد" بشكل أسرع، تمكنت الرغوة من النمو بشكل أسرع.
2. الفيلم الواحد (الجدار): بعد ذلك، نظروا إلى فيلم واحد من الماء قائم بذاته بين فقاعتين. تتبعوا ميزات دقيقة تتحرك عبر الفيلم ليروا مدى "انزلاق" السطح. كانت الأفلام المصنوعة من إسفنجات MG2 الطربة صلبة بشكل مفاجئ ولم يتحرك السطح كثيراً—كانت تشبه جداراً مطاطياً متجمداً. أما الأفماء المصوعة من MG10 الصلبة فكانت في الواقع أكثر "انزلاقاً" وحركة. يبدو هذا منافياً للمنطق (فمن المفترض أن الإسفنج الصلب يصنع جداراً صلباً)، ولكن الإسفنجات الطرية كانت تمتلك سلاسل طويلة متدلية تشابكت مع بعضها البعض مثل غابة كثيفة من الكروم، مما أدى إلى قفل السطح في مكانه وجعل من الصعب على السائل أن يتسرب بعيداً.
3. الرغوة العملاقة (المنظور الكلي): أخيراً، وبالعودة إلى الرغوة الكبيرة، راقب الفريق السائل وهو يتسرب من الرغوة بمرور الوقت. احتفظت الرغوة المصنوعة من إسفنجات MG2 الطرية بسائلها لفترة أطول بكثير. فقد تسرب السائل ببطء لأن "الجدران المتجمدة" (الناتجة عن تشابك الإسفنجات الطرية) قاومتت التدفق. أما رغوة MG10 الصلبة، بجدرانها المنزلقة، فقد سمحت للسائل بالتسرب بسرعة، مما أدى إلى اندماج الفقاعات وانهيار الرغوة.

تشبيه "الإسفنج"
تخيل محاولة بناء قلعة من الرمل المبلل.

• الإسفنجات الصلبة (MG10) تشبه الصخور الجافة والصلبة. عندما تحاول حشرها معاً، لا تتشكل جيداً. توجد فجوات، ويتسرب الماء منها بسرعة، فتنهار القلعة.
• الإسفنجات الطرية (MG2) تشبه الطين الرطب والقابل للتشكيل. فهي تتشكل معاً وتملأ كل زاوية وفجوة. وهي تتمسك بالماء بإحكام، مما يخلق بنية متماسكة وقوية تقف شامخة.

ما تم استبعاده
بحث الباحثون أيضاً فيما إذا كان مقدار الميكروجيل في الماء مهماً. ووجدوا أن وجود مزيد من الإسفنجات الطرية (تركيز أعلى) يؤدي أيضاً إلى رغوة أفضل، ولكن حتى حد معين فقط. فإذا كان هناك عدد قليل جداً من الإسفنجات، ستنهار الرغوة لعدم وجود ما يكفي من "الدرع" لتغطية الفقاعات. كما لاحظوا أنه بالنسبة للإسفنجات الأكثر صلابة (MG10) أو التركيزات المنخفضة، لم تكن الرغوة تنمو باستمرار؛ بل كانت تبدأ في الانهيار أثناء عملية صنعها، مما يخلق حالة فوضوية غير منتظمة. وقد استبعد هذا فكرة أن مجرد نفخ الغاز عبر أي خليط سيؤدي إلى إنشاء رغوة مستقرة؛ فخصائص المادة المثبتة أمر بالغ الأهمية.

مدى ثقتهم
يعبر المؤلفون عن ثقتهم الكبيرة في هذه النتائج لأنهم رأوا نفس النمط عبر جميع المستويات الثلاثة. فقد توقع سلوك القطرة الواحدة سلوك الفيلم الواحد، والذي بدوره توقع سلوك الرغوة العملاقة. لقد قاموا بقياس أرقام محددة، مثل الوقت المستغرق لتكوين 100 مل من الرغوة (والذي كان أقصر للإسفنجات الطرية) ومعدل تسرب السائل (والذي كان أبطأ للإسفنجات الطرية). حتى أنهم استخدموا نموذجاً رياضياً (تلاشٍ ثنائي الأسي - bi-exponential decay) لوصف كيفية موت الرغوة بدقة، مما أظهر أن الإسفنجات الطرية أبطأت عملية الموت بشكل كبير.

الخلاصة
تظهر هذه الدراسة أنك لكي تصنع رغوة فائقة الاستقرار، لا تحتاج فقط إلى أي مادة مثبتة؛ بل تحتاج إلى مادة طرية بما يكفي لتنتشر وتغطي السطح بسرعة، ولكن يمكن لسلاسلها الداخلية أن تتشابك لتخلق حاجزاً واقياً صلباً. من خلال ضبط "طراوة" هذه الإسفنجات المجهرية، يمكن للعلماء تصميم رغوات تدوم لفترة أطول، ولها فقاعات أصغر، ويمكن حتى تصميمها لتنفجر عند الطلب إذا تغيرت درجة الحرارة. إنه مثال مثالي لكيفية أن فهم التفاصيل الدقيقة لجزيء واحد يمكن أن يساعدنا في بناء أشياء أفضل في عالمنا الحقيقي.