Forskere løser mysteriet om, hvordan gasbobler dannes i væske

Dannelsen af ​​luftbobler i en væske ligner meget dens omvendte proces, dannelsen af ​​væskedråber fra, sige, en dryppende vandhane. Men den involverede fysik er faktisk ganske anderledes, og mens disse vanddråber er ensartede i deres størrelse og afstand, bobledannelse er typisk en meget mere tilfældig proces.

Nu, en undersøgelse af forskere ved MIT og Princeton University viser, at under visse betingelser, bobler kan også lokkes til at danne kugler, der matcher perfekt som dråber.

De nye fund kan have konsekvenser for udviklingen af ​​mikrofluidiske anordninger til biomedicinsk forskning og for at forstå, hvordan naturgas interagerer med råolie i de små porerum i underjordiske klippeformationer, siger forskerne. Resultaterne offentliggøres i dag i tidsskriftet PNAS , i et papir af MIT -kandidat Amir Pahlavan Ph.D. '18, Professor Howard Stone fra Princeton, MIT School of Engineering Professor i undervisning i innovation Gareth McKinley, og MIT -professor Ruben Juanes.

Nøglen til at producere bobler med ensartet størrelse og mellemrum ligger i at begrænse dem til et smalt rum, Juanes forklarer. Når luft eller gas frigives i en stor beholder med væske, spredningen af ​​bobler er spredt. Når den frigives til væske, der er begrænset i et relativt smalt rør, imidlertid, gassen vil producere en strøm af bobler, der passer perfekt i størrelse, og dannes med jævne mellemrum. Denne ensartede og forudsigelige adfærd, uafhængigt af specifikke startforhold, er kendt som universalitet.

Processen med dannelse af dråber eller bobler er meget ens, begyndende med en forlængelse af det flydende materiale (uanset om det er luft eller vand), og til sidst en udtynding og afklemning af "halsen", der forbinder dråben eller boblen med det flydende materiale. Denne klemning gør det muligt for dråben eller boblen at falde sammen til en sfærisk form. Billede, der blæser sæbebobler:Når du blæser gennem ringen, et rør med sæbefilm strækker sig gradvist udad i en lang pose, inden det klemmes af for at danne en rund boble, der flyder væk.

"Processen med en dråbe, der drypper fra en vandhane, er kendt for at være universel, "siger Juanes, der har en fælles ansættelse i afdelingerne for civil- og miljøteknik og jord, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. Hvis den dryppende væske har en anden viskositet eller overfladespænding, eller hvis armaturets åbning er af en anden størrelse, "det er ligegyldigt. Du kan finde relationer, der giver dig mulighed for at bestemme en masterkurve eller en masteradfærd til at beskrive den proces, " han siger.

Men når det kommer til, hvad der er, i en vis forstand, den modsatte proces til en dryppende vandhane - indsprøjtning af luft gennem en åbning i en stor tank med væske, såsom et boblebad - processen er ikke universel. "Så hvis du har uregelmæssigheder i åbningen, eller hvis åbningen er større eller mindre, eller hvis du injicerer med en vis pulsering, alt dette vil føre til en anden afklemning af boblerne, "Siger Juanes.

De nye eksperimenter involverede gas, der perkolerede på viskøse væsker, såsom olie. I et ubegrænset rum, boblernes størrelser er uforudsigelige, men situationen ændrer sig, når de i stedet bobler til væske i et rør. Op til et bestemt punkt, rørets størrelse og form er ligegyldig, ejendommens egenskaber ved åbningen, som gassen kommer igennem. I stedet boblerne, som dråberne fra en vandhane, har ensartet størrelse og mellemrum.

Pahlavan siger, "Vores arbejde er virkelig en fortælling om to overraskende observationer; den første overraskende observation kom for omkring 15 år siden, da en anden gruppe, der undersøgte dannelse af bobler i store væsketanke, observerede, at afklemningsprocessen er ikke-universel "og afhænger af detaljerne i den eksperimentelle opsætning." Den anden overraskelse kommer nu i vores arbejde, som viser, at begrænsning af boblen inde i et kapillarrør gør afklemningen ufølsom over for detaljerne i eksperimentet og derfor universel. "

Denne observation er "overraskende, " han siger, fordi det intuitivt kan se ud til, at bobler, der er i stand til at bevæge sig frit gennem væsken, ville blive mindre påvirket af deres oprindelige forhold end dem, der er faldet i. Men det modsatte viste sig at være sandt. Det viser sig, at interaktioner mellem røret og den dannende boble, som en kontaktlinje mellem luften og væsken går frem langs indersiden af ​​røret, spiller en vigtig rolle. Dette "sletter effektivt hukommelsen i systemet, detaljer om de oprindelige betingelser, og genopretter derfor universaliteten til at klemme en boble fra, " han siger.

Selvom sådan forskning kan virke esoterisk, dens resultater har potentielle anvendelser i en række praktiske omgivelser, Siger Pahlavan. "Kontrolleret dannelse af dråber og bobler er meget ønskeligt inden for mikrofluidik, med mange applikationer i tankerne. Et par eksempler er inkjet -udskrivning, medicinsk billeddannelse, og fremstilling af partikelformige materialer. "

Den nye forståelse er også vigtig for nogle naturlige processer. "I geofysiske applikationer, vi ser ofte væske strømme i meget trange og trange rum, "siger han. Disse interaktioner mellem væsker og de omkringliggende korn negligeres ofte ved analyse af sådanne processer. Men sådanne geologiske systems adfærd bestemmes ofte af processer i kornskala, hvilket betyder, at den slags mikroskala-analyse, der udføres i dette arbejde, kan være nyttig til at forstå selv sådanne meget store situationer.

Bobledannelsen i sådanne geologiske formationer kan være en velsignelse eller en forbandelse, afhængigt af konteksten, Juanes siger, men i hvert fald er det vigtigt at forstå. Ved kulstofbinding, for eksempel, håbet er at pumpe kuldioxid, adskilt fra kraftværksemissioner, i dybe formationer for at forhindre, at gassen kommer ud i atmosfæren. I dette tilfælde, dannelse af bobler i små porerum i klippen er en fordel, fordi boblerne har en tendens til at blokere strømmen og holde gassen forankret på plads, forhindrer det i at lække tilbage.

Men af ​​samme grund, bobledannelse i en naturgasbrønd kan være et problem, fordi det også kan blokere strømmen, hæmmer evnen til at udvinde den ønskede naturgas. "Det kan immobiliseres i porerummet, "siger han." Det ville tage et meget større pres for at kunne flytte den boble. "