En grupp forskare vid Zhejiang Universitys State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, i Hangzhou, Kina, upptäckte nyligen att en ny bubblande mekanism kan existera inom fysikens område.

De gjorde detta överraskande fynd när de studerade bubblande fenomen i nedsänkta gas-vätskestrålar i mikrokanaler. Fenomenet inträffade i en nedsänkningslitografimaskin som de hade utvecklat, orsaka vibrationer som skadade exponeringskvaliteten.

Som de rapporterar denna vecka i journalen Vätskors fysik , gruppen märkte att denna bubbling hade unika egenskaper jämfört med bubbling som genererades av den enfasiga gasblåsningsmekanismen. De beskriver både periodiska och aperiodiska förändringar av bubblande egenskaper, såväl som speciella bifurkations- och rotationsfenomen, som inte tidigare har observerats och rapporterats.

"Vi insåg att en ny typ av bubblande mekanism kan existera, eftersom bubblan lossnar från munstycket vi hade att göra med inte bara drevs av "lyfteffekten" av flytkraft, men ännu mer påtagligt av den "skjutande effekten" av följande vätskesnigel som anländer till munstycket, sa Liang Hu, en docent som arbetar i State Key Lab.

Detta förklarar vibrationsegenskaperna som finns i nedsänkningslitografimaskinen och kan även ha konsekvenser för andra områden inom fysiken, såsom mass- eller värmeöverföringsförbättring och bubbelrörelsekontroll.

Upptäckten markerar ett betydande framsteg eftersom forskare har utforskat "bubbling" i många år, försöker fastställa hur bubblor lossnar från munstycken och stiger i vätskor.

"I vanlig mening, bubblor lossnar från munstycket en efter en, drivs av flytkraft, och stiga vertikalt i en enda kedja, " Sa Hu. "Vårt arbete med den nya typen av bubbling avslöjade en helt ny mekanism för bubbellossning - vi upptäckte en överraskande situation där bubblor steg längs två olika orienterade kedjor."

För gruppens studie, periodisk bubbling genererades av Taylor-flöde i kanalen - vilket involverar lika långa gasbubblor, kallas "sniglar, " åtskilda av lika långa vätskesniglar - som injiceras i vatten.

"I den här situationen, bubbellossning inducerades inte främst av flytkraft, " sa Hu. "Istället, varje bubbla tvingades lossna när en vätskesnigel anlände till munstycket och förstörde kapillärverkan vid gas-vätska-fast trefaskontakt som fäste bubblan vid munstycket."

Bildligt talat, bubblan lossnade "orsakades av att vätskesnigeln "tryckte" bort bubblan från munstycket, " sa Hu. "Skillnaden i kontaktvinkeln gjorde att bubblan lossnade "i sin tur" från ena sidan till den andra, t.ex. från vänster till höger, vilket resulterar i att bubbelbasen lutar från det övre vänstra till det nedre högra. Sedan interagerade den på varandra följande bubblan med denna bubbla vid dess lutande bas, och tryckte den för att stiga upp till höger."

Ytterligare, denna åtgärd orsakade en motsatt kontaktvinkelskillnad på den efterföljande bubblan, som lossnade i sin tur från höger till vänster och slutligen steg mot övre vänstra efter att ha interagerat med nästa bubbla.

"Som ett resultat, enskilda bubblor steg inte vertikalt utan steg mot en annan orientering jämfört med dess tidigare bubbla, som är känt som bubbelbifurkation, " sa Hu.

Med andra ord, "[Kontaktvinkelskillnaden] överfördes konstant från en bubbla till dess på varandra följande bubbla genom bubblainteraktion, vilket gjorde att bubblorna splittrades i två grenar spontant och stabilt lydde momentumbevarande, " sa Hu. "Så länge inmatningsvillkoren förblir oförändrade, paret förgrenade bubbelgrenar förmedlar kontinuerligt snabbt stigande bubblor och bibehåller alltid samma bifurkationsvinkel, även när grenarna roterar samtidigt. Det ser ut som vacker och exakt bubbelgruppdans."

Som du kan föreställa dig, gruppens arbete har långtgående tillämpningar. Bubbelbildning i undervattensstrålar används i stor utsträckning för industriella tillämpningar som värmeväxlare, konstgjord luftning och pneumatisk ståltillverkning, för att nämna några.

Eftersom bubbling var en viktig källa till vibrationer inom gruppens nedsänkningslitografimaskin, vilket skadar exponeringskvaliteten, de kommer nu att försöka begränsa bubblandet till det periodiska regimen för enklare aktiv vibrationsisolering, " sa Hu.

Injicera gas-vätskeblandningar, en annan applikation, har använts för att förbättra värme- och massöverföring genom att producera små bubblor och anses vara ett alternativ till gasblåsning med porösa medier.

"Men de flesta forskare väljer att använda ett makrorör för att producera täta bubbelstrålar, "Så vi tror att ersätta dessa med ett gäng mikrorör som producerar periodisk bubbling kan vara ett bättre val för att få många bubblor, inte bara mindre utan också kontrollerbar i storlek."

Bubble motion control, ännu en applikation, behövs för att tillverka nya material samt för att förbättra överföringsegenskaperna hos bubbelkolonner, enligt Hu.

"Vi kan erbjuda ett nytt tillvägagångssätt för bubbelrörelsekontroll genom att realisera den exakta kontrollen av bubbelstorleken och bifurkationsvinkeln samtidigt, "Det här kan vara en mer effektiv och pålitlig metod för att direkt styra den ursprungliga bubblande dynamiken än dagens vanliga externa magnetiska eller akustiska fält."

"Skönheten och komplexiteten i fenomenet bubbelbifurkation är fascinerande för oss, särskilt för tre aspekter av framtida arbete, " sa Hu på frågan om vad gruppen hoppas kunna arbeta med härnäst. "För det första, för att erhålla ett bredare spektrum av bifurkationsvinklar:föreställ dig två bubbelgrenar som fungerar som ett par fritt viftande armar. Andra, för att uppfylla bifurkationsprocessen med mikrobubblor. Och för det tredje, ibland observerad men dåligt förstådd, bubblor kan dela sig till en gren av större bubblor och en gren av mindre bubblor. Vi ska utforska allt."