Capillary breakup of free and wetting liquid bridges of aqueous xanthan gum solutions
تتقصى هذه الدراسة تجريبياً تكسر الجسور السائلة المكونة من صمغ الزانثان المائي بفعل الخاصية الشعرية، كاشفةً أنه في حين تُظهر الجسور الحرة أنظمة متميزة من التكسر القصوري-الشعري، والإلاستو-شعري، واللزوجي-الشعري، فإن الجسور المبللة تُظهر استجابة لزوجية-شعرية موحدة تنطبق على منحنى رئيسي بسبب تأثيرات تاريخ التدفق وتُظهر حساسية منخفضة تجاه قابلية بلل الركيزة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً لا تكتفي فيه السوائل بالتدفق فحسب، بل ترقص وتتمدد، وأحياناً تنقطع مثل الأربطة المطاطية. هذا هو ملعب ميكانيكا السوائل البينية، وهو فرع من الفيزياء يدرس كيفية سلوك السوائل عندما تلتقي بالهواء أو بالأسطح الصلبة. وفي قلب هذه القصة يوجد الجسر السائل: وهو عمود ضئيل من السائل معلق بين نقطتين، مثل قطرة ماء تتدلى من صنبور أو بركة ماء تتمدد بين أصابعك. عندما تصبح هذه الجسور رقيقة جداً، فإنها تنكسر، أو ما يسمى بـ "الانقطاع". بالنسبة للسوائل البسيطة مثل الماء، يحدث هذا في انقطاع مخروطي يمكن التنبؤ به. ولكن عندما تضيف جزيئات طويلة وخيطية تسمى البوليمرات (تخيلها كخيوط المعكرونة الإسباغيتي المجهرية)، يصبح السائل مطاطياً ويتصرف بشكل مختلف تماماً. يهتم العلماء بهذا لأن لحظات "الانقطاع" هذه تحدث في كل مكان في الحياة الواقعية، من كيفية رش طابعات الحبر لقطرات صغيرة من الحبر إلى كيفية رش الطلاء أو حتى كيفية معالجة أجسامنا للسوائل. إن فهم كيفية ولماذا تنكسر هذه الجسور يساعد المهندسين على تصميم منتجات أفضل ويساعد العلماء على فهم القواعد الخفية لحركة السوائل.
والآن، دعونا نغوص في القصة المحددة لـ صمغ الزانثان، وهو مكون شائع في الأطعمة (مثل تتبيلة السلطة) يجعل الأشياء سميكة ولزجة. أراد الباحثون في جامعة دارمشتاد التقنية ومعهد لايبنيز لأبحاث البوليمرات معرفة كيف يتصرف هذا "السائل الإسباغيتي" المحدد عندما تنكسر جسوره. لقد أعدوا تجربة رائعة تقارن بين سيناريوهين: الجسور الحرة (سائل يطفو في الهواء، مثل قطرة تسقط من إبرة) والجسور المبللة (سائل ملتصق بسطح صلب، مثل بركة ماء تُسحب بعيداً عن طاولة).
الانقطاع في الهواء: مسرحية من ثلاثة فصول
عندما شاهد الفريق الجسور الحرة (تلك التي تطفو في الهواء)، رأوا عرضاً درامياً من ثلاثة أجزاء:
- الفصل الأول: القصور الذاتي الشعيري: في البداية، يترقق الجسر بسرعة، مدفوعاً بالتوتر السطحي، تماماً مثل قطرة ماء تسقط.
- الفصل الثاني: الفصل المرن الشعيري: فجأة، تتمدد جزيئات صمغ الزانثان. إنها تعمل مثل رباط مطاطي صغير وغير مرئي، تقاوم عملية الترقق. وهذا يخلق "تعرجاً" قصير الأمد حيث يتباطأ معدل ترقق الجسر. وجد الباحثون أن هذه المرحلة المرنة قصيرة جداً بالنسبة لصمغ الزانثان، على عكس بعض البوليمرات الأخرى التي تحافظ على التمدد لفترة أطول.
- الفصل الثالث: الفصل اللزج الشعيري النهائي: أخيراً، تتمدد الجزيئات وتصطف تماماً. يدخل الجسر في حالة مستقرة حيث يترقق بسرعة ثابتة.
إليك الخدعة السحرية التي اكتشفها الباحثون: على الرغم من أن محاليل صمغ الزانثان كانت سميكة ومزدحمة بالجزيئات (ما يسميه العلماء "شبه مركز التركيز")، إلا أن سلوك تمددها كان يعمل كما لو كانت رقيقة ومتفرقة ("منخفضة التركيز"). فعندما عدلوا حساباتهم لتأخذ في الاعفلت كمية الصمغ وسماكة الماء، تلاشتت جميع السوائل المختلفة لتستقر على منحنى واحد مثالي. الأمر كما لو أن كل قطرة، بغض النظر عن كمية الصمغ الموجود فيها، تتبع نفس الوصفة السرية للتحطم.
الأرضية اللزجة: قصة مختلفة
تزداد القصة تعقيداً عندما يلمس السائل سطحاً صلباً. أنشأ الفريق جسوراً مبللة على شرائح سيليكون مغطاة بمواد كيميائية مختلفة لجعلها إما "محبة للماء" أو "كارهة للماء".
في هذا السيناريو، تغيرت الدراما تماماً. اختفت المسرحية المنظمة ذات الفصول الثلاثة. لم يكن هناك فصل "مطاطي" متميز. بدلاً من ذلك، بدا أن الجسور المبللة تتخطى مباشرة إلى مرحلة الترقق المستقرة النهائية منذ البالبداية. يقترح الباحثون أن هذا بسبب امتلاك السائل "ذاكرة سيئة" لماضيه؛ فبينما يتشكل الجسر ويُسحب عبر السطح، من المحتمل أن الاحتكاك بالأرض وتدفق السائل نفسه قد تسبب في بعثرة جزيئات البوليمر قبل بدء الانكسار. هذا "التاريخ التدفيقي" جعل المراحل المتميزة تبدو سلسة، مما جعل العملية بأكملها تبدو كتمدد واحد مستمر.
كان هناك اكتشاف مذهل آخر وهو مدى ضآلة تأثير نوع السطح. بالنسبة للسوائل العادية، فإن تغيير السطح من محب للماء إلى كاره للماء يغير سرعة انكسار الجسر بشكل هائل (أسرع أو أبطأ بنحو ثلاث مرات). لكن بالنسبة لمحاليل صمغ الزانثان، لم يهم نوع السطح تقريباً. بدا أن الصمغ السميك والمطاطي يتغلب على احتكاك السطح، مما جعل سرعة الانكسار متساوية تقريباً سواء كانت الأرضية لزجة أو زلقة.
الشكل العالمي
أخيراً، نظر الفريق في شكل الجسور أثناء انكسارها. ومن خلال إعادة تغيير حجم الصور إلى مقياس قياسي، وجدوا شيئاً جميلاً: سواء كان الجسر طافياً في الهواء أو ملتصقاً بسطح، وسواء كان مصنوعاً من القليل من الصمغ أو الكثير منه، فإن شكل الجسر المنكسر اتبع نمطاً عالمياً تقريباً. إنه يشبه اكتشاف أنه مهما كان حجم الراقص أو الموسيقى التي تعزف، فإن الوضعية النهائية قبل إسدال الستار تكون دائماً هي نفسها.
باخت-اختصار، تشير هذه الورقة إلى أنه بينما تتبع جسور السوائل الطافية والمثبتة على سطح قواعد مختلفة، يمكن فهم كليهما من خلال عدسة رياضية موحدة. يبدو أن وجود سطح صلب يمحو المراحل "المرنة" المعقدة التي تُرى في القطرات الطافية، مستبدلاً إياها بعملية ترقق بسيطة ومستقرة مدفوعة بالطريقة الفريدة لتمدد واصطفاف جزيئات صمغ الزانثان. يساعدنا هذا على فهم أنه لا يمكننا مجرد افتراض أن ما يحدث في قطرة طافية سيحدث على سطح؛ فالأرضية تغير الرقصة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.