Ny boblende mekanisme opdaget i fysik

En gruppe forskere ved Zhejiang University's State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, i Hangzhou, Kina, for nylig opdaget, at en ny boblende mekanisme kan eksistere inden for fysikkens område.

De gjorde dette overraskende fund, mens de studerede boblende fænomener i neddykkede gas-væske-stråler i mikrokanaler. Fænomenet opstod i en immersionslitografimaskine, de havde udviklet, forårsager vibrationer, der skader eksponeringskvaliteten.

Som de rapporterer i denne uge i journalen Fysik af væsker , gruppen bemærkede, at denne bobling besad unikke egenskaber sammenlignet med bobling genereret af den enfasede gasblæsningsmekanisme. De beskriver både periodiske og aperiodiske ændringer i boblende karakteristika, samt specielle bifurkations- og rotationsfænomener, som ikke tidligere er blevet observeret og rapporteret.

"Vi indså, at en ny type boblende mekanisme kan eksistere, fordi bobleløsningen fra dysen, vi havde at gøre med, ikke kun blev drevet af opdriftens 'løfteeffekt', men mere væsentligt ved "skubbeeffekten" af den følgende væskesnegl, der ankommer til dysen, " sagde Liang Hu, en lektor, der arbejder i State Key Lab.

Dette forklarer vibrationsegenskaberne, der findes i immersionslitografimaskinen, og kan også have konsekvenser for andre områder inden for fysik, såsom masse- eller varmeoverførselsforbedring og boblebevægelseskontrol.

Opdagelsen markerer et betydeligt fremskridt, fordi videnskabsmænd har udforsket "bobler" i mange år, forsøger at bestemme, hvordan bobler løsnes fra dyser og stiger i væsker.

"I sædvanlig forstand, bobler løsnes fra dysen én efter én, drevet af opdrift, og stige lodret i en enkelt kæde, " sagde Hu. "Vores arbejde med den nye type bobler afslørede en helt ny mekanisme for bobleløsnelse - vi opdagede en overraskende situation, hvor bobler steg langs to forskelligt orienterede kæder."

Til gruppens undersøgelse, periodisk bobling blev genereret af Taylor-flow i kanalen - som involverer lige lange gasbobler, kaldet "snegle, " adskilt af lige lange flydende snegle - der injiceres i vand.

"I denne situation, bobleløsning blev ikke primært induceret af opdrift, " sagde Hu. "I stedet, hver boble blev tvunget til at løsne sig, da en væskesnegl ankom til dysen og ødelagde kapillærvirkningen ved den gas-væske-fast trefasede kontaktledning, der fastgjorde boblen til dysen."

I overført betydning, bobleløsning var "forårsaget af, at væskesneglen 'skubbede' boblen væk fra dysen, " sagde Hu. "Forskellen i kontaktvinkel fik boblen til at løsne sig 'på skift' fra den ene side til den anden, f.eks. fra venstre mod højre, hvilket resulterer i, at boblebunden vipper fra øverst til venstre til nederst til højre. Derefter interagerede den på hinanden følgende boble med denne boble ved dens skrå base, og skubbede den for at stige op mod øverste højre."

Yderligere, denne handling forårsagede en modsat kontaktvinkelforskel på den efterfølgende boble, som løsnede sig på skift fra højre mod venstre og til sidst steg mod øverste venstre efter at have interageret med den næste boble.

"Som resultat, individuelle bobler rejste sig ikke lodret, men steg snarere mod en anden orientering i forhold til dens tidligere boble, som er kendt som boblebifurkation, " sagde Hu.

Med andre ord, "[Kontaktvinkelforskellen] blev konstant overført fra en boble til dens på hinanden følgende boble ved bobleinteraktion, hvilket fik boblerne til at splitte sig i to grene spontant og stabilt adlyde momentumbevarelse, " sagde Hu. "Så længe inputbetingelserne forbliver uændrede, parret af togrenede boblegrene formidler kontinuerligt hurtigt stigende bobler og opretholder altid den samme forgreningsvinkel, selv når grenene roterer samtidigt. Det ligner smuk og præcis boblegruppedans."

Som du kan forestille dig, gruppens arbejde har vidtgående anvendelser. Bobledannelse i dykkede jetfly er meget udbredt til industrielle anvendelser såsom varmevekslere, kunstig beluftning og pneumatisk stålfremstilling, for at nævne et par stykker.

Da bobling var en vigtig kilde til vibrationer i gruppens nedsænkningslitografimaskine, hvilket skader eksponeringskvaliteten, de vil "nu søge at begrænse boblen til det periodiske regime for lettere aktiv vibrationsisolering, " sagde Hu.

Injektion af gas-væske blandinger, en anden applikation, er blevet brugt til at forbedre varme- og masseoverførsel ved at producere små bobler og anses for at være et alternativ til gasblæsning med porøse medier.

"Men de fleste forskere vælger at bruge et makrorør til at producere tætte boblende stråler, " sagde Hu. "Så vi mener, at udskiftning af disse med en masse mikrorør, der producerer periodisk bobling, kan være et bedre valg til at opnå adskillige bobler, ikke kun mindre, men også kontrollerbar i størrelse."

Bubble motion kontrol, endnu en ansøgning, er nødvendig til fremstilling af nye materialer samt forbedring af overførselsegenskaber for boblesøjler, ifølge Hu.

"Vi kan tilbyde en ny tilgang til boblebevægelseskontrol ved at realisere den præcise kontrol af boblestørrelsen og bifurkationsvinklen samtidigt, "Hu sagde. "Dette kan være en mere effektiv og pålidelig metode til direkte at kontrollere den oprindelige boblende dynamik end nutidens almindeligt anvendte eksterne magnetiske eller akustiske felter."

"Skønheden og kompleksiteten af ​​boblebifurkationsfænomenet er fascinerende for os, især for tre aspekter af det fremtidige arbejde, " sagde Hu, da han blev spurgt om, hvad gruppen håber at arbejde på næste gang. "For det første, for at opnå et bredere udvalg af bifurkationsvinkler:forestil dig to boblegrene, der fungerer som et par frit-bølgende arme. Sekund, at opfylde bifurkationsprocessen med mikrobobler. Og for det tredje, lejlighedsvis observeret, men dårligt forstået, bobler kunne dele sig i en gren af ​​større bobler og en gren af ​​mindre bobler. Vi vil udforske det hele."