Un gruppo di ricercatori dello State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems dell'Università di Zhejiang, ad Hangzhou, Cina, ha scoperto di recente che potrebbe esistere un nuovo meccanismo di gorgogliamento nel regno della fisica.

Hanno fatto questa scoperta sorprendente studiando i fenomeni di gorgogliamento nei getti gas-liquido sommersi in microcanali. Il fenomeno si è verificato in una macchina per litografia ad immersione che avevano sviluppato, causando vibrazioni che danneggiavano la qualità dell'esposizione.

Come riportano questa settimana sul giornale Fisica dei fluidi , il gruppo ha notato che questo gorgogliamento possedeva proprietà uniche rispetto al gorgogliamento generato dal meccanismo di soffiaggio del gas monofase. Descrivono i cambiamenti delle caratteristiche di gorgogliamento sia periodici che aperiodici, oltre a particolari fenomeni di biforcazione e rotazione, che non sono stati precedentemente osservati e segnalati.

"Ci siamo resi conto che potrebbe esistere un nuovo tipo di meccanismo di gorgogliamento, perché il distacco della bolla dall'ugello con cui abbiamo a che fare è stato determinato non solo dall'"effetto portanza" della galleggiabilità, ma più significativamente dall'"effetto di spinta" del successivo proiettile liquido che arriva all'ugello, " ha detto Liang Hu, un professore associato che lavora nello State Key Lab.

Questo spiega le caratteristiche di vibrazione trovate nella macchina per litografia ad immersione e può anche avere implicazioni per altre aree all'interno della fisica come il miglioramento della massa o del trasferimento di calore e il controllo del movimento delle bolle.

La scoperta segna un progresso significativo perché gli scienziati hanno esplorato il "gorgogliamento" per molti anni, cercando di determinare come le bolle si staccano dagli ugelli e salgono all'interno dei fluidi.

"Nel senso comune, le bolle si staccano dall'ugello una ad una, guidato dal galleggiamento, e salire verticalmente in un'unica catena, "Ha detto Hu. "Il nostro lavoro sul nuovo tipo di gorgogliamento ha rivelato un nuovissimo meccanismo di distacco delle bolle:abbiamo scoperto una situazione sorprendente in cui le bolle si alzavano lungo due catene orientate in modo diverso".

Per lo studio del gruppo, il gorgogliamento periodico è stato generato dal flusso di Taylor nel canale, che coinvolge bolle di gas di uguale lunghezza, chiamati "lumache, " separati da proiettili liquidi di uguale lunghezza, iniettati nell'acqua.

"In questa situazione, il distacco della bolla non è stato indotto principalmente dalla galleggiabilità, " disse Hu. "Invece, ogni bolla è stata costretta a staccarsi quando un proiettile liquido è arrivato all'ugello e ha distrutto l'azione capillare sulla linea di contatto trifase gas-liquido-solido che collegava la bolla all'ugello.

In senso figurato, il distacco della bolla è stato "causato dalla lumaca di liquido che "spinge" la bolla lontano dall'ugello, " disse Hu. "La differenza dell'angolo di contatto ha fatto sì che la bolla si staccasse 'a turno' da un lato all'altro, per esempio. da sinistra a destra, con conseguente inclinazione della base della bolla da in alto a sinistra a in basso a destra. Quindi la bolla successiva ha interagito con questa bolla alla sua base inclinata, e lo spinse a salire verso l'alto a destra."

Ulteriore, questa azione ha causato una differenza di angolo di contatto opposto sulla bolla successiva, che si staccava a sua volta da destra a sinistra e infine saliva verso l'alto a sinistra dopo aver interagito con la bolla successiva.

"Di conseguenza, le singole bolle non si sono sollevate verticalmente ma piuttosto si sono sollevate verso un orientamento diverso rispetto alla bolla precedente, nota come biforcazione a bolle, "Ha detto Hu.

In altre parole, "[La differenza dell'angolo di contatto] è stata costantemente trasferita da una bolla alla sua successiva bolla per interazione di bolle, che ha fatto biforcare le bolle in due rami spontaneamente e stabilmente obbedendo alla conservazione della quantità di moto, " Hu ha detto. "Finché le condizioni di ingresso rimangono invariate, la coppia di rami di bolle biforcate trasporta continuamente bolle in rapida salita e mantiene sempre lo stesso angolo di biforcazione, anche quando i rami ruotano contemporaneamente. Sembra un ballo di gruppo bello e preciso".

Come puoi immaginare, il lavoro del gruppo ha applicazioni di vasta portata. La formazione di bolle nei getti sommersi è ampiamente utilizzata per applicazioni industriali come scambiatori di calore, aerazione artificiale e siderurgia pneumatica, per dirne alcuni.

Poiché il gorgogliamento era una delle principali fonti di vibrazioni all'interno della macchina per litografia ad immersione del gruppo, che danneggia la qualità dell'esposizione, ora "cercheranno di limitare il gorgogliamento al regime periodico per un più facile isolamento attivo delle vibrazioni, "Ha detto Hu.

Iniezione di miscele gas-liquido, un'altra applicazione, è stato utilizzato per migliorare il trasferimento di calore e di massa producendo piccole bolle ed è considerato un'alternativa al soffiaggio di gas con mezzi porosi.

"Ma la maggior parte dei ricercatori sceglie di utilizzare un macrotubo per produrre getti pieni di bolle, " ha detto Hu. "Quindi crediamo che la sostituzione di questi con un gruppo di microtubi che producono bolle periodiche possa essere una scelta migliore per ottenere numerose bolle, non solo più piccolo, ma anche controllabile nelle dimensioni."

Controllo del movimento della bolla, ancora un'altra applicazione, è necessario per la fabbricazione di nuovi materiali e per migliorare le proprietà di trasferimento delle colonne a bolle, secondo Hu.

"Possiamo fornire un nuovo approccio per il controllo del movimento delle bolle realizzando contemporaneamente il controllo preciso della dimensione della bolla e dell'angolo di biforcazione, "Ha detto Hu. "Questo potrebbe essere un metodo più efficiente e affidabile per controllare direttamente la dinamica originale del gorgogliamento rispetto ai campi magnetici o acustici esterni comunemente usati oggi".

"La bellezza e la complessità del fenomeno della biforcazione delle bolle ci affascina, in particolare per tre aspetti del lavoro futuro, " Hu ha detto quando gli è stato chiesto su cosa spera di lavorare il gruppo. "In primo luogo, per ottenere una più ampia gamma di angoli di biforcazione:immagina due rami di bolle che agiscono come un paio di braccia che si muovono liberamente. Secondo, per compiere il processo di biforcazione con microbolle. E terzo, occasionalmente osservato ma poco compreso, le bolle potrebbero biforcarsi in un ramo di bolle più grandi e un ramo di bolle più piccole. Esploreremo tutto".