En ny funktion med omslagsfoto på Vetenskap skildrade en bubbla i mitten av kollapsen, baserat på en studie utförd av Alexandros T. Oratis et al. Forskargruppen inom maskinteknik, matematik och rymdteknik vid Boston University, MIT och Princeton University demonstrerade bildandet av spännande vågliknande mönster när bubblor kollapsade. Med hjälp av en komplex belysning och snabb slutartid i labbet, perfekt anpassad för att fånga ett flyktigt ögonblick, inom en sekund, de fotograferade den lilla bubblan som kom från de omgivande medierna av tät silikonolja.

Bristning och kollaps av viskösa bubblor är utbredd i naturen och i industriella tillämpningar. Fenomenet åtföljs av elastiska ark som utvecklar radiella rynkor. Medan filmens vikt tycktes spela en dominerande roll under filmkollaps och skrynklig instabilitet, i det här arbetet, tyngdkraften tycktes spela en överraskande försumbar roll. Baserat på vätskemekaniken för fenomenen, Oratis et al. visade att ytspänning var den drivande faktorn under kollaps för att initiera dynamisk knäckinstabilitet och rynkbeteende, åtföljs av nedbrytning av böjda viskösa och viskoelastiska filmer. Forskningsarbetet är relevant för att förstå industriella och kemiska tillämpningar, inklusive aerosolproduktion från utandningshändelser i luftvägarna.

Rynkor av tunna ark

Att förstå bubblor bildas är viktigt på grund av deras allestädes närvarande i naturen och industriella tillämpningar inklusive bubbelsamling under glastillverkning, Spray-målar, deponering av radioaktivt avfall och vid vulkanutbrott. Elastiska ark kan skrynklas under tryckpress eftersom de kräver mindre energi att spänna än att komprimera. I nya studier har forskare fokuserat på att förstå de böjningsdeformationer som uppstår när ett tunt elastiskt ark sträcks, petade, eller lindade runt ett krökt föremål. Liknande, viskösa vätskor kan också spännas i en process som observeras som "fallskärmsinstabilitet" när en stigande bubbla når ytan för att brista. Efter ytan, en bubbla består av en tunn flytande film i form av en sfärisk kåpa som stöds av gasen som fångas inuti den. Rynkorna som utvecklas under bubbelbristning gör det på grund av vikten av den kollapsande tunna filmen för att tillåta instängd gas att fly. Oratis et al. visade att den skrynkliga instabiliteten inte specifikt berodde på tyngdkraften eller närvaron av ett hål som experimentellt bildats för att tillåta instängd gas att fly från bubblan.

Teamet genomförde experiment och observerade utvecklingen av rynkor i en kollapsande bubbla på ett kiseloljebad för att visa hur det drevs av ytspänning istället för gravitation. För att testa hypotesen, de genomförde ett experiment med bubblor upp och ner, ett tillvägagångssätt som underlättas på grund av vätskeviskositeten. De uppnådde detta genom att förbereda bubblan med höger sida uppåt och snabbt rotera provet för att spricka det på några sekunder. När den är omvänd, bubbelfilmen fortsatte att behålla sin form och tjocklek vid toppen. Om tyngdkraften och viskositeten hade varit dominerande bidragsgivare till processen, de inverterade bubblorna skulle ha förlängts nedåt som sett i simuleringar. Istället, laget noterade den inverterade bubblan som återvände mot tyngdkraften, medan rynkor bildades under de sista stadierna av bubbla kollaps, ger dem en tydlig bild av processen.

För att förstå ytspänning, drivkraften bakom fenomenet, forskarna mätte viktiga parametrar som är karakteristiska för tidsskalan för kollaps. För detta, Oratis et al. använde kiseloljor med olika viskositeter och varierande filmtjocklekar under experimenten. Med hjälp av höghastighetsbilder, de beräknade representativ hastighet vid början av rynkor och ökade silikonoljans viskositet, för att bromsa kollapsen. Som förväntat, tunnare bubblor kollapsade snabbare. Modellen härledd i detta arbete visade hur antalet rynkor starkt berodde på storleken på hålet som skapades för att initiera bubbla kollaps. Under experimentella demonstrationer, laget eliminerade tryckskillnaden över bubbelytan med hjälp av en kapillärdriven installation som inte bryter ner den tunna filmen, som ett resultat, hålet som skapades i processen inducerade effektivt bubbla kollaps utan att filmen brister.

De experimentella resultaten överensstämde rättvist med teorin. Konkurrensen mellan dragspänning och tryckspänning i systemet påverkade placeringen av rynkmönster i arken. Oratis et al. utförde ytterligare experiment med tjockare strukturer med hjälp av blåst smält glas extraherat från ugnen, där de tillät den instängda luften att fly genom glasröret. Under processen, det blåsta glaset kollapsade för att anta formen av en rynka. Modellen härledd i detta arbete hade begränsningar för data med de tunnaste filmerna där kollapsen var så abrupt att det rynkande mönstret tappade sin symmetri för att spänna över hela bubblan. Vidare, modellen förutspådde att rynkor inte skulle uppstå för alla förhållanden.

På det här sättet, Oratis och kollegor visade att ytspänning, inte gravitationen, drev kollapsen av viskösa ytbubblor. De utvecklade ett kapillärdrivet kollaps-system för att initiera dynamisk knäckinstabilitet via samtidig tröghetsspel, kompression, och viskös bindning av den återfallande filmen. Arbetet presenterade viskösa ark med elastiska liknande instabilitet under snabb komprimering. Resultaten kan också förklara vätskemekaniken vid utandning av potentiella patogenbärande aerosoler som är kopplade till nedbrytning av tunna bubbelfilmer i den viskoelastiska vätskan som leder luftvägarna. Det föreliggande arbetet antyder att enbart ytspänning kan leda till instabilitet vid knäckning under viskös filmbristning för att dessa filmer ska vika och fånga luft, därigenom ge djupare insikt i mekanismerna för aerosolisering.

© 2020 Science X Network