Een groep onderzoekers van het State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems van de Zhejiang University, in Hangzhou, China, ontdekte onlangs dat er mogelijk een nieuw bubbelmechanisme bestaat binnen het domein van de natuurkunde.

Ze deden deze verrassende bevinding tijdens het bestuderen van de borrelende verschijnselen in ondergedompelde gas-vloeistofstralen in microkanalen. Het fenomeen deed zich voor in een immersielithografiemachine die ze hadden ontwikkeld, trillingen veroorzaakten die de belichtingskwaliteit aantasten.

Zoals ze deze week in het journaal melden Fysica van vloeistoffen , de groep merkte op dat dit bubbelen unieke eigenschappen bezat in vergelijking met bubbels dat wordt gegenereerd door het eenfasige gasblaasmechanisme. Ze beschrijven zowel periodieke als aperiodieke veranderingen in bubbelkarakteristieken, evenals speciale bifurcatie- en rotatieverschijnselen, die nog niet eerder zijn waargenomen en gerapporteerd.

"We realiseerden ons dat er een nieuw type bubbelmechanisme zou kunnen bestaan, omdat het losraken van de bellen van het mondstuk waarmee we te maken hadden niet alleen werd veroorzaakt door het 'lifteffect' van het drijfvermogen, maar nog belangrijker door het 'duwende effect' van de volgende vloeibare slak die bij het mondstuk aankomt, " zei Liang Hu, een universitair hoofddocent die werkt in het State Key Lab.

Dit verklaart de trillingskarakteristieken die worden aangetroffen in de immersielithografiemachine en kan ook gevolgen hebben voor andere gebieden binnen de natuurkunde, zoals verbetering van de massa- of warmteoverdracht en controle van de beweging van bellen.

De ontdekking markeert een belangrijke vooruitgang omdat wetenschappers al vele jaren "borrelen" onderzoeken, proberen te bepalen hoe bellen loskomen van mondstukken en in vloeistoffen opstijgen.

"In de gebruikelijke zin luchtbellen komen één voor één los van het mondstuk, gedreven door drijfvermogen, en verticaal stijgen in een enkele ketting, "Zei Hu. "Ons werk aan het nieuwe type bubbelen onthulde een gloednieuw mechanisme voor het losmaken van bellen - we ontdekten een verrassende situatie waarin bellen langs twee verschillend georiënteerde kettingen opstegen."

Voor de studie van de groep, periodieke bubbels werden gegenereerd door Taylor-stroming in het kanaal - waarbij gasbellen van gelijke lengte betrokken zijn, genaamd "slakken, " gescheiden door vloeibare slakken van gelijke lengte - die in water worden geïnjecteerd.

"In deze situatie, het losraken van bellen werd niet in de eerste plaats veroorzaakt door het drijfvermogen, ' zei Hu. 'In plaats daarvan, elke bel werd gedwongen los te komen toen een vloeibare slak bij het mondstuk arriveerde en de capillaire werking vernietigde bij de gas-vloeistof-vaste driefasige contactlijn die de bel aan het mondstuk bevestigde."

Figuurlijk spreken, het losraken van de bellen werd "veroorzaakt doordat de vloeibare slak de bel wegduwde van het mondstuk, Hu zei. "Het verschil in contacthoek zorgde ervoor dat de bel 'om de beurt' van de ene naar de andere kant loskwam, bijv. van links naar rechts, waardoor de bellenbodem van linksboven naar rechtsonder kantelt. Vervolgens interageerde de opeenvolgende bel met deze bel aan zijn gekantelde basis, en duwde het om naar de rechterbovenhoek te stijgen."

Verder, deze actie veroorzaakte een tegengesteld contacthoekverschil op de opeenvolgende bel, die op zijn beurt van rechts naar links loskwam en uiteindelijk naar linksboven steeg na interactie met de volgende bel.

"Als resultaat, individuele bubbels stegen niet verticaal, maar stegen eerder naar een andere oriëntatie ten opzichte van de vorige bubbel, die bekend staat als bubbelbifurcatie, " zei Hu.

Met andere woorden, "[Het contacthoekverschil] werd constant doorgegeven van de ene bel naar de volgende bel door belinteractie, waardoor de bellen spontaan en stabiel in twee takken splitsten en gehoorzaamden aan het behoud van momentum, " zei Hu. "Zolang de invoervoorwaarden ongewijzigd blijven, het paar vertakkende bellentakken transporteert continu snel stijgende bellen en handhaaft altijd dezelfde vertakkingshoek, zelfs als de takken gelijktijdig draaien. Het ziet eruit als mooie en precieze bubbelgroepdansen."

Zoals u zich kunt voorstellen, het werk van de groep heeft verreikende toepassingen. Belvorming in ondergedompelde jets wordt veel gebruikt voor industriële toepassingen zoals warmtewisselaars, kunstmatige beluchting en pneumatische staalproductie, om er een paar te noemen.

Omdat bubbelen een belangrijke bron van trillingen was in de immersielithografiemachine van de groep, die de belichtingskwaliteit schaadt, ze zullen "nu proberen het borrelen te beperken tot het periodieke regime voor een gemakkelijkere actieve trillingsisolatie, " zei Hu.

Injecteren van gas-vloeistofmengsels, een andere toepassing, is gebruikt om de warmte- en massaoverdracht te verbeteren door kleine belletjes te produceren en wordt beschouwd als een alternatief voor gasblazen met poreuze media.

"Maar de meeste onderzoekers kiezen ervoor om een ​​macrobuis te gebruiken om dichte bubbelstralen te produceren, "Zei Hu. "Dus we denken dat het vervangen van deze door een stel microbuisjes die periodiek bubbelen produceren een betere keuze kan zijn voor het verkrijgen van talrijke bellen, niet alleen kleiner maar ook controleerbaar in maat."

Bubble bewegingscontrole, nog een andere toepassing, is nodig voor het vervaardigen van nieuwe materialen en voor het verbeteren van de overdrachtseigenschappen van bellenkolommen, volgens Hu.

"We kunnen een nieuwe benadering bieden voor bubbelbewegingscontrole door tegelijkertijd de precieze controle van de belgrootte en bifurcatiehoek te realiseren, "Zei Hu. "Dit kan een efficiëntere en betrouwbaardere methode zijn om de oorspronkelijke bubbeldynamiek direct te beheersen dan de tegenwoordig algemeen gebruikte externe magnetische of akoestische velden."

"De schoonheid en complexiteit van het fenomeen bellenvertakking fascineert ons, in het bijzonder voor drie aspecten van toekomstig werk, " Hu zei toen hem werd gevraagd waar de groep aan hoopt te werken. "Ten eerste, voor het verkrijgen van een breder scala aan vertakkingshoeken:stel je twee bellentakken voor die zich gedragen als een paar vrij zwaaiende armen. Tweede, om het bifurcatieproces met microbellen te vervullen. En ten derde, af en toe waargenomen, maar slecht begrepen, bubbels kunnen zich splitsen in een tak van grotere bubbels en een tak van kleinere bubbels. We gaan het allemaal onderzoeken."