Varför stiger stora gasbubblor i viskoelastiska vätskor (som polymer- och proteinlösningar) så mycket snabbare än förväntat? En öppen fråga med stor relevans för industriella produktionsprocesser. Forskare vid TU Graz och TU Darmstadt har nu hittat en förklaring.

Det är ett pussel som länge varit känt bland experter och mycket relevant i många industriella produktionsprocesser:en hoppdiskontinuitet i gasbubblors stighastighet i så kallade viskoelastiska vätskor. Viskoelastiska vätskor är ämnen som kombinerar egenskaper hos flytande och elastiska ämnen. Många hårschampon är ett exempel på detta. Om du vänder upp och ner på en genomskinlig, nästan helt fylld flaska schampo kommer du att se den inneslutna luften stiga upp som en bubbla i en ovanlig form. I många industriella processer förekommer sådana vätskor som lösningar av polymerer och måste ofta anrikas med syre genom gasning. "Vi har vetat i cirka 60 år att gasbubblors stighastighet i viskoelastiska vätskor genomgår ett hopp med en kritisk bubbeldiameter. Bubblornas hastighet kan då plötsligt bli upp till tio gånger snabbare. Detta spelar en grundläggande roll för den kontrollerade gasning av dessa vätskor. Samtidigt var det oklart vad som orsakade denna plötsliga hastighetsökning", förklarar Günter Brenn från Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer vid TU Graz.

Med en kombination av simulering, experiment och teoretisk analys har teamen av Günter Brenn vid TU Graz och Dieter Bothe vid TU Darmstadt nu löst pusslet tillsammans. De har funnit att polymermolekylernas interaktion med flödet runt gasbubblorna leder till bubblornas konstiga hastighetsbeteende. Med denna kunskap kan syretillförseln i dessa lösningar nu förutsägas mer exakt, vilket gör att utrustning inom till exempel bioteknik, processteknik och läkemedelsindustrin kan designas bättre. Forskarna förklarar för närvarande sina fynd i Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

'Avslappnad' tillstånd föredras

Polymerer består ofta av enorma molekyler som interagerar på komplexa sätt med vätskan i vilken de är lösta. Denna interaktion gör en vätska viskoelastisk. Vad orsakar det hopp i hastighet som gasbubblor visar i dessa vätskor från den kritiska diametern och framåt? Günter Brenn förklarar de senaste rönen:"Flödet runt bubblan gör att de lösta polymermolekylerna sträcker sig. Molekylerna gillar inte särskilt detta tillstånd. De vill återgå till det avslappnade, osträckta tillståndet så snart som möjligt." Om denna återgång till det avslappnade tillståndet är snabbare än transporten av molekylerna till bubblans ekvator, förblir bubblan långsam. Om däremot återgången till det avslappnade tillståndet tar längre tid än resan till bubblornas ekvator, så släpps en spänning i vätskan som "skjuter" bubblan. Detta leder till en självförstärkning, eftersom efterföljande polymermolekyler placerar sig under ekvatorn och slappnar av, avlastar sin elastiska energi och frigör en "framdrivande kraft."

Förutom den höga praktiska relevansen av detta fynd, särskilt för ovan nämnda tillämpningsområden, finns det även konsekvenser inom grundforskning. "Det visade sig att en annan överraskande egenskap hos flödesfältet för dessa lösningar kan tillskrivas denna molekylära mekanism vi visade:nämligen det så kallade 'negativa vaket' av gasbubblan", säger Dieter Bothe från Analysens arbetsgrupp för matematiska institutionen vid TU Darmstadt. Detta är ett område i flödesfältet under bubblan där vätskan normalt "följer" bubblan med låg hastighet. Med polymera vätskor är det däremot tvärtom:där är vätskans rörelse orienterad i motsatt riktning mot bubblans rörelse. Denna vätskerörelse orsakas av samma spänning som "trycker" bubblan. Denna förståelse kan leda till möjligheter att styra flödesprocesser.