Warum verdünnte Flüssigseife mit Wasser statt mit Schaum aus dem Spender kommt

Der Grund dafür ist, dass Wasser und Seife nicht so interagieren, wie wir es uns vorstellen. Wasser ist flüssiger, Seife ist dicker. Wenn Wasser hineingelangt und durch den Spender gepresst wird, drückt es die Seife nicht immer gleichmäßig heraus. Vielmehr sucht es sich den einfachsten Weg und drückt durch einen engen Kanal in der dicken Flüssigkeit.

Physiker nennen dieses Phänomen "viskose Finger". In einer neuen Studie haben Wissenschaftler der University of Chicago gezeigt, dass solche Kanäle verlangsamt werden können, indem man die Grenze zwischen zwei Flüssigkeiten glatter macht. Die Arbeit ist in Science Advances veröffentlicht.

Details

Stellen Sie sich dicke Seife als eine dichte Masse in einer Flasche vor und Wasser als eine leichtere, flüssigere Flüssigkeit. Wenn Sie auf den Spender drücken, schiebt das Wasser nicht unbedingt die gesamte Seife vor sich her. Es ist einfacher, eine schwache Stelle zu finden, durch sie hindurchzugehen und herauszukommen.

Auf diese Weise entsteht ein dünner "Tunnel" oder eine Verzweigung. Von außen sieht es so aus, als sei die Seife stark verdünnt worden: Statt Schaum kommt ein wässriger Strahl heraus.

Im Labor wird dieser Effekt nicht in der Flasche untersucht, sondern in einem sehr dünnen Spalt zwischen zwei transparenten Platten. Die Wissenschaftler geben eine dicke Flüssigkeit hinein und führen dann eine flüssigere ein. Wenn die Grenze zwischen den beiden scharf ist, beginnt das flüssige Medium schnell, sich mit einzelnen "Fingern" vorzudrängen.

Das Team von Zhaoning Liu, Samar Alkatari, Thomas Wiedebeck und Sidney Nagel testete, ob dieser Prozess kontrolliert werden kann, ohne die Zusammensetzung der Flüssigkeiten zu verändern. Zu diesem Zweck bewegten die Forscher eine der Platten von einer Seite zur anderen. Durch eine solche Bewegung wurde die Grenze zwischen den Flüssigkeiten leicht "verschmiert", so dass sie weniger scharf war.

Das Ergebnis war eindeutig: Je stärker und schneller sie die Platte bewegten, desto später erschienen diese "Finger", und wenn sie erschienen, wuchsen sie langsamer. Mit anderen Worten: Wenn die Grenze zwischen Flüssigkeit und dichtem Medium nicht so scharf ist, ist es für das Wasser schwieriger, sich einen schnellen Weg zu bahnen.

Warum das wichtig ist

Die Seifengeschichte ist nur ein Beispiel für einen Haushalt. Das gleiche Prinzip ist auch in der Industrie und in der Umwelt wichtig.

Wenn beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas in den Untergrund gepumpt wird, um ein anderes Medium zu verdrängen, bewegt sich die flüssigere Substanz möglicherweise nicht in einer gleichmäßigen Front. Sie bewegt sich möglicherweise durch einen engen Kanal und lässt den größten Teil der Substanz an Ort und Stelle zurück. Dies verringert die Effizienz des Prozesses.

Dieses Verhalten ist bei der Ölförderung, bei Grundwasser und bei Projekten zur unterirdischen Speicherung von Kohlendioxid von Bedeutung. Wenn ein Gas oder eine Flüssigkeit "mit den Fingern" entweicht, ist es für die Ingenieure schwieriger, genau zu kontrollieren, wohin es geht.

Aber es ist wichtig, nicht zu übertreiben. Die Wissenschaftler haben nicht alle Probleme der Ölförderung oder CO₂-Speicherung auf einmal gelöst. Sie haben im Labor einen grundlegenden Mechanismus gezeigt: Die Form der Grenze zwischen Flüssigkeiten kann verändert werden, und das beeinflusst, wie schnell eine Flüssigkeit eine andere durchbricht.

Hintergrund

"Viskose Finger" ist kein neuer Begriff. Physiker haben solche Muster schon lange untersucht: Sie treten auf, wenn ein flüssigeres Medium ein dickeres in einem begrenzten Raum verdrängt. Ähnliche verzweigte Formen sind bei einer Vielzahl von natürlichen und technischen Prozessen zu beobachten.

Die neue Studie ist wichtig, weil sie eine einfache Möglichkeit aufzeigt, diesen Effekt zu beeinflussen. Sie müssen nicht unbedingt die Flüssigkeiten selbst verändern. Manchmal reicht es aus, die Bewegung der Wände oder die Form der Grenze zwischen ihnen zu verändern.

Für den Durchschnittsbürger erklärt dies, warum sich verdünnte Seife oft so irritierend verhält. Für Physiker und Ingenieure ist es ein weiterer Schritt hin zu einer besseren Kontrolle der Bewegung von Flüssigkeiten, bei der ein Fehler weit mehr kosten kann als ein kaputter Spender.

Quelle

Zhaoning Liu, Samar Alqatari, Thomas E. Videbæk, Sidney R. Nagel, "Effect of translational shear on interfacial structure in the viscous fingering instability", Science Advances, 2026.