Elev løser en 100 år gammel fysikgåde

En EPFL-bachelorstuderende har løst et mysterium, der har undret videnskabsmænd i 100 år. Han opdagede, hvorfor gasbobler i smalle lodrette rør ser ud til at forblive fast i stedet for at stige opad. Ifølge hans forskning og observationer, der dannes en ultratynd film af væske omkring boblen, forhindrer det i at stige frit. Og han fandt, at faktisk, boblerne sidder slet ikke fast - de bevæger sig bare meget, meget langsomt.

Luftbobler i et glas vand flyder frit op til overfladen, og mekanismerne bag dette er let forklaret af videnskabens grundlæggende love. Imidlertid, de samme videnskabslove kan ikke forklare, hvorfor luftbobler i et rør på få millimeter tykt ikke stiger på samme måde.

Fysikere observerede først dette fænomen for næsten et århundrede siden, men kunne ikke komme med en forklaring - i teorien, boblerne bør ikke støde på modstand, medmindre væsken er i bevægelse; derfor bør en fast boble ikke støde på modstand.

Tilbage i 1960'erne, en videnskabsmand ved navn Bretherton udviklede en formel baseret på boblernes form for at forklare dette fænomen. Andre forskere har siden postuleret, at boblen ikke stiger på grund af en tynd væskefilm, der dannes mellem boblerne og rørvæggen. Men disse teorier kan ikke fuldt ud forklare, hvorfor boblerne ikke stiger opad.

Mens en bachelorstuderende ved Engineering Mechanics of Soft Interfaces laboratory (EMSI) inden for EPFL's School of Engineering, Wassim Dhaouadi var i stand til ikke kun at se den tynde film af væske, men også måle det og beskrive dets egenskaber - noget der aldrig var blevet gjort før. Hans resultater viste, at boblerne ikke sad fast, som videnskabsmænd tidligere troede, men bevæger sig faktisk ekstremt langsomt opad. Dhaouadis forskning, som blev offentliggjort for nylig i Fysisk gennemgangsvæske , markerede første gang, at eksperimentelt bevis blev leveret til at teste tidligere teorier.

Dhaouadi og EMSI lab leder, John Kolinski, brugt en optisk interferensmetode til at måle filmen, som de fandt til kun at være et par dusin nanometer (1 x 10 ^-9 meter) tyk. Metoden involverede at lede lys på en luftboble inde i et smalt rør og analysere den reflekterede lysintensitet. Ved at bruge interferensen af ​​lyset, der reflekteres fra rørets indervæg og fra boblens overflade, de målte nøjagtigt filmens tykkelse.

Dhaouadi opdagede også, at filmen ændrer form, hvis der påføres varme på boblen og vender tilbage til sin oprindelige form, når varmen er fjernet. "Denne opdagelse modbeviser de seneste teorier om, at filmen ville dræne til nul tykkelse, siger John Kolinski.

Disse målinger viser også, at boblerne faktisk bevæger sig, omend for langsomt til at blive set af det menneskelige øje. "Fordi filmen mellem boblen og røret er så tynd, det skaber en stærk modstand mod strømning, drastisk bremse boblernes stigning, " ifølge Kolinski.

Disse fund vedrører grundforskning, men kan bruges til at studere væskemekanik på en nanometrisk skala, især for biologiske systemer.

Dhaouadi kom til laboratoriet som sommerforskningsassistent under sin bachelor. Han gjorde hurtige fremskridt, og fortsatte arbejdet af egen vilje. "Han deltog i det væsentlige af sin interesse i forskningen, og endte med at udgive et papir fra hans arbejde, der bringer et århundredgammelt puslespil til hvile, " siger Kolinski.

"Jeg var glad for at gennemføre et forskningsprojekt tidligt i mit læseplan. Det er en ny måde at tænke og lære på og var helt anderledes end et hjemmearbejde, hvor man ved, at der er en løsning, selvom det kan være svært at finde. I starten Vi vidste ikke, om der overhovedet ville være en løsning på dette problem., " siger Dhaouadi, som nu afslutter en kandidatgrad på ETH Zürich. Kolinski tilføjer:"Wassim gjorde en enestående opdagelse i vores laboratorium. Vi var glade for at have ham til at arbejde sammen med os."