Защо морската вода е пенлива?

П яната с дълготрайни мехурчета, се образува лесно в солената, морска вода, която съдържа много разтворени йони, но не така лесно се образува в сладководни реки или езера.

Въздушните мехурчета, образувани в чиста вода, лесно се сливат с нея. Но мехурчетата изчезват много по-бавно в морската вода или в други течности, съдържащи разтворени примеси, поради което такива течности често генерират трайна пяна. Екип от инженери вярва, че са успели да идентифицират основната причина за този феномен - фини сили, създадени от електролити, подвижни йони, образувани, когато веществата се разтварят в течности. При сблъсък между две мехурчета тези сили значително намаляват скоростта, с която течността, разделяща мехурчетата, може да изтече. Това обяснява защо пяната се появява толкова лесно в солена морска вода и може да й бъдат намерени полезни приложения в много индустрии.

Why seawater is foamy? The film-thinning behavior between two fast-colliding bubbles has been observed directly using a home-designed instrument
Letter: https://t.co/IkC0rzdPmS
Focus: https://t.co/mMo520T2LQ pic.twitter.com/EK7LYeN65j

— Physical Review Letters (@PhysRevLett) September 8, 2023

Разтворите с високи концентрации на електролити често произвеждат устойчива пяни, така че изследователите от десетилетия подозират, че разтворените електролити по някакъв начин забавят сливането на мехурчета. „Ефектът обаче си остава мистерия и много теории дори предполагат, че електролитите би трябвало да ускоряват сливането на мехурчета“, казва машинният инженер Бо Лиу от Университета на Алберта в Канада.

Лиу и колегите му предприели серия експерименти, за да разберат как наличието на електролити влияе върху сливането на мехурчета. Те потопили края на стъклена капилярна тръба в течност и се образувало въздушно мехурче на върха. След това накарали мехурчето да се спусне надолу със скорост от 3 mm/s, докато се слее с друго мехурче отдолу, което било прикрепено към повърхността на силициев диоксид. Използвайки интерферометрия, екипът успял да измери дебелината на течния филм, разделящ мехурчетата с нанометрова точност и да наблюдава как тази дебелина намалява до нула.

В чиста вода мехурчетата действат като твърди сфери - приближават се без да променят формата си и при контакт се сливат. При мехурчетата в различни електролитни разтвори обаче се наблюдава поразително различен, двуетапен процес на сливане. Отначало повърхностите им се сближили, както в чиста вода. Но след като дебелината на разделящия фил намаляла до приблизително 40 нанометра (nm), „водещите ръбове“ на приближаващите се повърхности се сплескали, сякаш имало някаква отблъскваща сила. Това сплескване забавило сливането на мехурчетата с от 2 до 14 милисекунди, според експериментите проведени със селекция електролити и мехурчета с различни размери.

„Тези експерименти са първите, които толкова ясно показват, че наличието на електролити забавя сливането на мехурчетата в последния етап, когато течният филм между тях става много тънък“, казва Лиу. Но теоретичното обяснение на ефекта се оказа по-трудно. Работейки с различни специалисти, един от членовете на екипа Роджерио Маника, също от Университета на Алберта, прекарал години в изучаване на сливането на мехурчета и по-специално на физиката, влияеща върху това как тънкият течен филм може да се оттича. Въпреки това, казва той, „нищо от онова, с което разполагахме не можеше да обясни наблюдаваните експериментални данни“.

При изучаване на резултатите от други експерименти обаче, Лиу, Маника и техните колеги забелязали значителни разлики в измерванията на повърхностното напрежение в няколко електролитни разтвора в сравнение с това на чистата вода. „Тези наблюдения ни насърчиха да разработим подробен математически модел на транспортирането на електролити в тънкия филм между сливащи се мехурчета. Използвайки уравнения за динамика на флуидите, успяхме да опишем как потокът от електролити трябва да повлияе на повърхностното напрежение във филма“, каза Маника.

Изследователите установили, че когато дебелината на филма спадне до 30-50 нанометра, има разлика в концентрацията на електролита между филма и останалата част от течността. Тази разлика генерира малък градиент на повърхностното напрежение и свързаната сила, която забавя изходящия поток на течност от филма.

При симулации на уравненията за транспортиране на електролитите, изследователите установили, че този ефект забавя дренажа на филма достатъчно дълго, за да забави и самото разкъсване на филма - и окончателното сливане на мехурчета - в точно съответствие с експериментите. „Накратко, електролитите значително забавят сливането на мехурчетата, като удължават живота на тънкия течен филм“, каза Лиу.

„Това обяснява защо белите, пенести вълни се образуват толкова лесно в океаните и моретата, които съдържат много електролити, но са по-рядко срещани в сладководните реки и езера“, каза Лиу. „Това откритие може да бъде използвано за бъдещи индустриални нужди. Например в електрохимичното разделяне на водни молекули за производство на водород. В този процес начините, по които мехурчетата се образуват и обединяват в разтвор, оказват основно влияние върху консумираната енергия и върху ефективността на производството“, предположи той.

„Това е елегантно свършена работа“, каза специалистът по материали Адриен Бусониер от Френския национален център за научни изследвания (CNRS) в Париж. Той отбеляза, че механизмът, открит от изследователите, включва ефекти както в наномащаба, където отделните йони взаимодействат с тънкия филм, така и в много по-големия мащаб, в който действат феномените на флуидния поток. „Този механизъм изглежда универсален за различните соли и разрешава много необясними експерименти, в които участват електролити.“