Bildandet av luftbubblor i en vätska verkar mycket lik dess omvända process, bildandet av vätskedroppar från, säga, en droppande vattenkran. Men den inblandade fysiken är faktiskt helt annorlunda, och medan dessa vattendroppar är enhetliga i sin storlek och avstånd, bubbelbildning är vanligtvis en mycket mer slumpmässig process.

Nu, en studie av forskare vid MIT och Princeton University visar att under vissa förhållanden, bubblor kan också lockas till att bilda sfärer lika perfekt matchade som droppar.

De nya rönen kan få konsekvenser för utvecklingen av mikrofluidiska enheter för biomedicinsk forskning och för att förstå hur naturgas interagerar med petroleum i de små porutrymmena i underjordiska bergformationer, säger forskarna. Resultaten publiceras idag i tidskriften PNAS , i en uppsats av MIT-examen Amir Pahlavan Ph.D. '18, Professor Howard Stone från Princeton, MIT School of Engineering Professor i Teaching Innovation Gareth McKinley, och MIT professor Ruben Juanes.

Nyckeln till att producera bubblor med jämn storlek och avstånd från varandra ligger i att begränsa dem till ett smalt utrymme, Juanes förklarar. När luft eller gas släpps ut i en stor behållare med vätska, spridningen av bubblor är spridda. När den släpps ut i vätska som är innesluten i ett relativt smalt rör, dock, gasen kommer att producera en ström av bubblor som är perfekt matchade i storlek, och bildas med jämna mellanrum. Detta enhetliga och förutsägbara beteende, oberoende av specifika startvillkor, är känt som universalitet.

Processen att bilda droppar eller bubblor är mycket lik, börjar med en förlängning av det strömmande materialet (oavsett om det är luft eller vatten), och slutligen en förtunning och avklämning av "halsen" som förbinder droppen eller bubblan med det strömmande materialet. Denna nypning tillåter sedan droppen eller bubblan att kollapsa till en sfärisk form. Bild som blåser såpbubblor:När du blåser genom ringen, ett rör med tvålfilm sträcker sig gradvis utåt i en lång påse innan det nyper av för att bilda en rund bubbla som flyter iväg.

"Processen med en droppe som droppar från en kran är känd för att vara universell, säger Juanes, som har en gemensam förordnande vid avdelningarna för samhällsbyggnad och miljöteknik och jord, Atmosfärs- och planetvetenskap. Om den droppande vätskan har en annan viskositet eller ytspänning, eller om kranens öppning har en annan storlek, "det spelar ingen roll. Du kan hitta relationer som låter dig bestämma en masterkurva eller ett masterbeteende för att beskriva den processen, " han säger.

Men när det kommer till vad som är, på sätt och vis, den motsatta processen till en droppande kran – insprutningen av luft genom en öppning in i en stor tank med vätska som en jacuzzi – processen är inte universell. "Så om du har oegentligheter i öppningen, eller om öppningen är större eller mindre, eller om du injicerar med viss pulsering, allt detta kommer att leda till en annan nypa av bubblorna, säger Juanes.

De nya experimenten involverade gas som sipprade ned på trögflytande vätskor som olja. I ett obegränsat utrymme, storleken på bubblorna är oförutsägbar, men situationen förändras när de bubblar till vätska i ett rör istället. Fram till en viss punkt, storleken och formen på röret spelar ingen roll, inte heller egenskaperna hos öppningen som gasen kommer igenom. Istället bubblorna, som dropparna från en kran, är jämnt stora och fördelade.

Pahlavan säger, "Vårt arbete är egentligen en berättelse om två överraskande observationer; den första överraskande observationen kom för cirka 15 år sedan, när en annan grupp som undersökte bildandet av bubblor i stora vätsketankar observerade att nypningsprocessen är icke-universal" och beror på detaljerna i experimentupplägget. "Den andra överraskningen kommer nu i vårt arbete, vilket visar att om man begränsar bubblan inuti ett kapillärrör gör nypningen okänslig för detaljerna i experimentet och därför universell."

Denna observation är "överraskande, " han säger, eftersom det intuitivt kan tyckas att bubblor som kan röra sig fritt genom vätskan skulle påverkas mindre av sina initiala förhållanden än de som är infällda. Men det motsatta visade sig vara sant. Det visar sig att interaktioner mellan röret och den bildande bubblan, när en kontaktlinje mellan luften och vätskan förs fram längs insidan av röret, spela en viktig roll. Detta "raderar effektivt systemets minne, av detaljerna i de ursprungliga villkoren, och därför återställer universaliteten till en bubblas nypa, " han säger.

Även om sådan forskning kan verka esoterisk, dess resultat har potentiella tillämpningar i en mängd olika praktiska miljöer, säger Pahlavan. "Kontrollerad generering av droppar och bubblor är mycket önskvärt i mikrofluidik, med många tillämpningar i åtanke. Några exempel är bläckstråleutskrift, medicinsk bildbehandling, och framställning av partikelmaterial."

Den nya förståelsen är också viktig för vissa naturliga processer. "I geofysiska tillämpningar, vi ser ofta vätskeflöden i mycket trånga och trånga utrymmen, " säger han. Dessa interaktioner mellan vätskorna och de omgivande kornen försummas ofta vid analys av sådana processer. Men beteendet hos sådana geologiska system bestäms ofta av processer i kornskalan, vilket innebär att den typ av mikroskalaanalys som görs i detta arbete kan vara till hjälp för att förstå även sådana mycket storskaliga situationer.

Bubbelbildningen i sådana geologiska formationer kan vara en välsignelse eller en förbannelse, beroende på sammanhanget, Juanes säger, men hur som helst är det viktigt att förstå. För kolbindning, till exempel, förhoppningen är att pumpa koldioxid, separeras från kraftverksutsläpp, i djupa formationer för att förhindra att gasen kommer ut i atmosfären. I detta fall, bildandet av bubblor i små porutrymmen i berget är en fördel, eftersom bubblorna tenderar att blockera flödet och hålla gasen förankrad på plats, förhindrar att den läcker ut igen.

Men av samma anledning, bubbelbildning i en naturgaskälla kan vara ett problem, eftersom det också kan blockera flödet, hämmar förmågan att utvinna den önskade naturgasen. "Det kan vara immobiliserat i porutrymmet, " säger han. "Det skulle krävas ett mycket större tryck för att kunna flytta den bubblan."