Plasma-stråler stabiliserer vand til at sprøjte mindre

En undersøgelse foretaget af KAIST-forskere afslørede, at en ioniseret gasstråle, der blæser på vand, også kendt som en 'plasma jet, " producerer en mere stabil interaktion med vandoverfladen sammenlignet med en neutral gasstråle. Dette fund rapporteret i 1. april-udgaven af Natur vil bidrage til at forbedre den videnskabelige forståelse af plasma-væske-interaktioner og deres praktiske anvendelser inden for en lang række industrielle områder, hvor fluidkontrolteknologi anvendes, herunder biomedicinsk teknik, kemisk produktion, og landbrug og fødevareteknik.

Gasstråler kan skabe fordybninger i væskeoverflader, og dette fænomen er velkendt for enhver, der har set hulrummet fremstillet ved at blæse luft gennem et sugerør direkte over en kop juice. Når gasstrålens hastighed stiger, hulrummet bliver ustabilt og begynder at boble og sprøjte.

"Forståelse af de fysiske egenskaber ved interaktioner mellem gasser og væsker er afgørende for mange naturlige og industrielle processer, såsom vinden blæser over havets overflade, eller stålfremstillingsmetoder, der involverer at blæse ilt over toppen af ​​smeltet jern, "forklarede professor Wonho Choe, en fysiker fra KAIST og den tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Imidlertid, på trods af dens videnskabelige og praktiske betydning, der er lidt kendt om, hvordan gasblæste væskehulrum bliver deformeret og destabiliseres.

I dette studie, en gruppe KAIST-fysikere ledet af professor Choe og holdets samarbejdspartnere fra Chonbuk National University i Korea og Jožef Stefan Institute i Slovenien undersøgte, hvad der sker, når en ioniseret gasstråle, også kendt som en 'plasma jet, " blæses over vand. En plasmastråle dannes ved at påføre højspænding til en dyse, når gas strømmer gennem den, hvilket får gassen til at blive svagt ioniseret og erhverve frit bevægelige ladede partikler.

Forskergruppen brugte en optisk teknik kombineret med højhastighedsbilleddannelse til at observere profilerne af vandoverfladens hulrum skabt af både neutrale heliumgasstråler og svagt ioniserede heliumgasstråler. De udviklede også en beregningsmodel til matematisk at forklare mekanismerne bag deres eksperimentelle opdagelse.

Forskerne påviste for første gang, at en ioniseret gasstråle har en stabiliserende effekt på vandoverfladen. De fandt ud af, at visse kræfter udøvet af plasmastrålen gør vandoverfladehulrummet mere stabilt, hvilket betyder, at der er mindre bobler og sprøjt sammenlignet med hulrummet skabt af en neutral gasstråle.

Specifikt, undersøgelsen viste, at plasmastrålen består af pulserende bølger af gasionisering, der forplanter sig langs vandoverfladen, såkaldte 'plasmakugler', der udøver mere kraft end en neutral gasstråle, gør hulrummet dybere uden at blive destabiliseret.

"Det er første gang, at dette fænomen er blevet rapporteret, og vores gruppe betragter dette som et kritisk skridt fremad i vores forståelse af, hvordan plasmastråler interagerer med væskeoverflader. Vi planlægger derefter at udvide dette fund gennem flere casestudier, der involverer forskellige plasma- og væskeegenskaber, " sagde professor Choe.