Будь то молочная пенка на капучино, мыльная пена в ванной или крупномасштабная структура Вселенной, пены интриговали физиков на протяжении многих лет. Теперь, впервые в лаборатории, международная группа ученых сделала пену Уэйра-Фелана — которая как полагают физики, является пеной самой низко энергетической структуры, формируемой пузырьками в равном объеме.
Физик Джозеф Плато (Joseph Plateau) впервые изучал геометрию жидкой пены почти два столетия назад, а первая в истории теоретическая концепция «идеальной пены» из пузырьков равного размера была разработана лордом Кельвином в 1887 году. Кельвин предложил пену, которая была основана на сложной сотовой кубической форме: кристаллическая структура, формируемая усеченным октаэдром — 14–гранники заполняющие пространство,- многогранник с шестью квадратными гранями и восемью слегка искривленными шестиугольными гранями. Это рассматривалось как идеальная пена в течение почти 100 лет, до 1994 года, когда физик Денис Уэйр (Denis Weaire) из Тринити-колледжа в Дублине и его ученик Роберт Фелан (Robert Phelan)) нашли пену с еще более низкой энергией, используя компьютерное моделирование с программным обеспечением, разработанным математиком Кеннетом Брэком (Kenneth Brakke). «Уэйр-Фелан структура» представляет собой сложную 3D-структуру двух видов пузырьков равного объема, многогранников с 12 до 14 сторонами, соответственно, на 0,3% ниже по энергии, чем пена Кельвина.
Специальный шаблон
Физики до сего дня пытались создать пену Уэйра-Фелана в лаборатории. Наконец группе исследователей в Тринити-колледже, во главе с итальянским исследователем Руджеро Габриели (Ruggero Gabbrielli) из Университета Тренто, удалось создать пену Уэйра-Фелана с помощью специально созданного шаблона. Габриелли понял, что предыдущие неудачи по созданию пены можно списать на форму контейнеров, используемых для ее создания. «В то время как структура Кельвина может быть ограничена плоскими границами, структура Уэйра-Фелана не подгоняется к плоской границе ... и это требует специального шаблона», объясняет Стефан Хутцлер (Stefan Hutzler), глава группы исследования пены и комплексных систем в Школе физики Троицы.
Габриелли вместе с Брэке разработал сосуд, стены которого имели сложную форму, которая стимулировала и способствовала образованию пузырей Уэйра-Фелана. Этот шаблон для стенок был сделан в Центре по изучению адаптивных наноструктур и наноустройств (CRANN), используя 3D-принтер и показал мгновенный успех, когда пузырьки нужного размера были помещены в него. Пена создается путем размещения специального шаблона в простом растворе в воде имеющихся в продаже жидких моющих средств типа Фэйри. Пузырьки производятся выдуванием азота из стеклянного капилляра. Размер пузырька имеет решающее значение при получении такой пены. Хутцлер объясняет, что они испытывали различные размеры и нашли оптимальный размер пузыря, который не был слишком маленьким или слишком большим, но таким, чтобы пузыри «стали мягкими». Далее, пена подсвечивалась и фотографировалась с помощью цифровой зеркальной камеры и было сразу видно, что сформировалась именно структура Уэйра-Фелана. Образцы, которые были произведены, содержали до 1500 пузырей.
Пенные фьючерсы
Итак, физики наконец создали идеальную пену или возможно в будущем найти пену даже еще меньшей энергии? «Это подтверждение делает структуру Уэйра-Фелана как лучший ответ к еще одной старой проблеме "минимальной площади" — хотя вопрос о том, есть ли другая форма с еще меньшей площадью, остается открытым - и подчеркивает важность граничных условий в производстве пены» говорит Сидни Перковиц (Sidney Perkowitz), профессор Университета Эмори в США и автор
Универсальной пены
. «В результате есть также прогресс в области физики мягкого конденсированного состояния, которая занимается деформируемыми или "мягкими" веществами. И с широко распространенным бытовым и коммерческим использованием пены, от бритья до тушения пожаров и до молекулярной гастрономии, где то, что "рот чувствует в себе" высоко ценится, эта цепочка проникновения в суть пены от Плато к Кельвину и теперь к Уэйр-Фелану может также непосредственно влиять на людей», объясняет Перковиц.
Хутцлер признает, что реализация пены, хоть и большое достижение, но не имеет непосредственного практического применения. Но в затвердевшей форме и в различных масштабах, такие экзотические пены могут найти применение как химические фильтры, теплообменники и фотонных кристаллов. Интересно, что структура пены Уэйра-Фелана была использованы для проектирования Куба водного центра для Олимпийских игр в Пекине. Многие миллионы людей восхищались этой элегантной конструкцией стальных балок, которая следует из картины идеальной пены.