De vorming van luchtbellen in een vloeistof lijkt erg op het omgekeerde proces, de vorming van vloeistofdruppels uit, zeggen, een druppelende waterkraan. Maar de betrokken fysica is eigenlijk heel anders, en hoewel die waterdruppels uniform zijn in grootte en afstand, bellenvorming is typisch een veel willekeurig proces.

Nutsvoorzieningen, een onderzoek door onderzoekers van MIT en Princeton University laat zien dat onder bepaalde omstandigheden, bellen kunnen ook worden overgehaald om bollen te vormen die perfect op elkaar zijn afgestemd als druppels.

De nieuwe bevindingen kunnen implicaties hebben voor de ontwikkeling van microfluïdische apparaten voor biomedisch onderzoek en voor het begrijpen van de manier waarop aardgas interageert met aardolie in de kleine poriënruimten van ondergrondse rotsformaties, zeggen de onderzoekers. De bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift PNAS , in een paper van MIT-afgestudeerde Amir Pahlavan Ph.D. '18, Professor Howard Stone van Princeton, MIT School of Engineering, hoogleraar Onderwijsinnovatie Gareth McKinley, en MIT-professor Ruben Juanes.

De sleutel tot het produceren van bellen van uniforme grootte en op afstand van elkaar, ligt in het beperken ervan tot een smalle ruimte, legt Juanes uit. Wanneer lucht of gas vrijkomt in een grote container met vloeistof, de verspreiding van bellen is scattershot. Wanneer het wordt vrijgegeven in vloeistof die is opgesloten in een relatief smalle buis, echter, het gas zal een stroom bellen produceren die qua grootte perfect op elkaar zijn afgestemd, en vormen met gelijke tussenpozen. Dit uniforme en voorspelbare gedrag, onafhankelijk van specifieke startvoorwaarden, staat bekend als universaliteit.

Het proces van vorming van druppeltjes of bellen lijkt erg op elkaar, beginnend met een verlenging van het stromende materiaal (of het nu lucht of water is), en uiteindelijk een verdunning en afknijpen van de "nek" die de druppel of bel verbindt met het stromende materiaal. Dat afknijpen zorgt ervoor dat de druppel of bel in een bolvorm kan instorten. Beeld zeepbellen blazen:terwijl je door de ring blaast, een buis met zeepfilm strekt zich geleidelijk naar buiten uit in een lange zak voordat hij wordt afgeknepen om een ​​ronde luchtbel te vormen die wegdrijft.

"Het is bekend dat het proces van een druppel die uit een kraan druppelt universeel is, " zegt Juanes, die een gezamenlijke aanstelling heeft bij de afdelingen Civiele Techniek en Milieutechniek en Aarde, Atmosferische en planetaire wetenschappen. Als de druppelvloeistof een andere viscositeit of oppervlaktespanning heeft, of als de opening van de kraan een andere maat heeft, "het maakt niet uit. Je kunt relaties vinden waarmee je een hoofdcurve of een hoofdgedrag kunt bepalen om dat proces te beschrijven, " hij zegt.

Maar als het gaat om wat is, in zekere zin, het tegenovergestelde proces van een druppelende kraan - de injectie van lucht door een opening in een grote vloeistoftank zoals een jacuzzi - het proces is niet universeel. "Dus als je onregelmatigheden in de opening hebt, of als de opening groter of kleiner is, of als u met enige pulsatie injecteert, dat alles zal leiden tot een ander afknijpen van de bubbels, ' zegt Juanes.

Bij de nieuwe experimenten sijpelde gas door in viskeuze vloeistoffen zoals olie. In een onbegrensde ruimte, de afmetingen van de bubbels zijn onvoorspelbaar, maar de situatie verandert wanneer ze in plaats daarvan in een buis in vloeistof borrelen. Tot een bepaald punt, de grootte en vorm van de buis maakt niet uit, noch de kenmerken van de opening waar het gas doorheen komt. In plaats daarvan de bubbels, als de druppels uit een kraan, zijn uniform van grootte en verdeeld.

Pahlavan zegt, "Ons werk is eigenlijk een verhaal van twee verrassende observaties; de eerste verrassende observatie kwam ongeveer 15 jaar geleden, toen een andere groep die de vorming van bellen in grote vloeistoftanks onderzocht, opmerkte dat het afknijpproces niet-universeel is" en afhangt van de details van de experimentele opstelling. "De tweede verrassing komt nu in ons werk, waaruit blijkt dat het opsluiten van de bel in een capillaire buis de afknijpbeweging ongevoelig maakt voor de details van het experiment en daarom universeel is."

Deze observatie is "verrassend, " hij zegt, omdat het intuïtief zou kunnen lijken dat bellen die zich vrij door de vloeistof kunnen bewegen, minder worden beïnvloed door hun oorspronkelijke omstandigheden dan die welke zijn ingesloten. Maar het tegendeel bleek waar. Het blijkt dat interacties tussen de buis en de vormende bel, als een contactlijn tussen de lucht en de vloeistof zich langs de binnenkant van de buis voortbeweegt, een belangrijke rol spelen. Dit "wist effectief het geheugen van het systeem, van de details van de beginvoorwaarden, en herstelt daarom de universaliteit van het afknijpen van een zeepbel, " hij zegt.

Hoewel dergelijk onderzoek misschien esoterisch lijkt, zijn bevindingen hebben potentiële toepassingen in een verscheidenheid aan praktische instellingen, zegt Pahlavan. "Gecontroleerde vorming van druppels en bellen is zeer wenselijk in microfluïdica, met veel toepassingen in gedachten. Enkele voorbeelden zijn inkjetprinten, medische beeldvorming, en het maken van fijnstof."

Het nieuwe begrip is ook belangrijk voor sommige natuurlijke processen. "In geofysische toepassingen, we zien vaak vloeistofstromen in zeer krappe en krappe ruimtes, " zegt hij. Deze interacties tussen de vloeistoffen en de omringende korrels worden vaak verwaarloosd bij het analyseren van dergelijke processen. Maar het gedrag van dergelijke geologische systemen wordt vaak bepaald door processen op de korrelschaal, wat betekent dat het soort analyse op microschaal dat in dit werk wordt gedaan, nuttig kan zijn om zelfs zulke zeer grootschalige situaties te begrijpen.

De bellenvorming in dergelijke geologische formaties kan een zegen of een vloek zijn, afhankelijk van de context, Juanes zegt, maar het is hoe dan ook belangrijk om te begrijpen. Voor koolstofvastlegging, bijvoorbeeld, de hoop is om kooldioxide te pompen, gescheiden van de uitstoot van elektriciteitscentrales, in diepe formaties om te voorkomen dat het gas in de atmosfeer terechtkomt. In dit geval, de vorming van bellen in kleine poriënruimten in het gesteente is een voordeel, omdat de bellen de neiging hebben om de stroom te blokkeren en het gas op zijn plaats te houden, voorkomen dat het weer naar buiten lekt.

Maar om dezelfde reden, bellenvorming in een aardgasbron kan een probleem zijn, omdat het ook de stroom kan blokkeren, remming van het vermogen om het gewenste aardgas te winnen. "Het kan worden geïmmobiliseerd in de porieruimte, "zegt hij. "Er zou veel meer druk nodig zijn om die bubbel te kunnen verplaatsen."