La formazione di bolle d'aria in un liquido appare molto simile al suo processo inverso, la formazione di goccioline liquide da, dire, un rubinetto che gocciola. Ma la fisica coinvolta è in realtà molto diversa, e mentre quelle gocce d'acqua sono uniformi per dimensione e distanza, la formazione di bolle è in genere un processo molto più casuale.

Ora, uno studio condotto da ricercatori del MIT e della Princeton University mostra che in determinate condizioni, le bolle possono anche essere persuase a formare sfere perfettamente abbinate come goccioline.

Le nuove scoperte potrebbero avere implicazioni per lo sviluppo di dispositivi microfluidici per la ricerca biomedica e per comprendere il modo in cui il gas naturale interagisce con il petrolio nei minuscoli pori delle formazioni rocciose sotterranee, dicono i ricercatori. I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista PNAS , in un articolo del laureato al MIT Amir Pahlavan Ph.D. '18, Professor Howard Stone di Princeton, MIT School of Engineering Professore di Insegnamento dell'Innovazione Gareth McKinley, e il professore del MIT Ruben Juanes.

La chiave per produrre bolle di dimensioni uniformi e distanziate sta nel confinarle in uno spazio ristretto, Juanes spiega. Quando aria o gas vengono rilasciati in un grande contenitore di liquido, la dispersione delle bolle è sparsa. Quando viene rilasciato in un liquido confinato in un tubo relativamente stretto, però, il gas produrrà un flusso di bolle perfettamente abbinate per dimensioni, e formando a intervalli regolari. Questo comportamento uniforme e prevedibile, indipendentemente da condizioni di partenza specifiche, è noto come universalità.

Il processo di formazione di goccioline o bolle è molto simile, a cominciare da un allungamento del materiale che scorre (sia esso aria o acqua), ed eventualmente un assottigliamento e pizzicamento del "collo" che collega la gocciolina o bolla al materiale che scorre. Tale pizzicamento consente quindi alla gocciolina o alla bolla di collassare in una forma sferica. Immagine che fa bolle di sapone:mentre soffi attraverso l'anello, un tubo di pellicola di sapone si estende gradualmente verso l'esterno in una lunga sacca prima di staccarsi per formare una bolla rotonda che galleggia via.

"Il processo di una goccia che gocciola da un rubinetto è noto per essere universale, "dice Juanes, che ha un incarico congiunto nei dipartimenti di Ingegneria Civile e Ambientale e della Terra, Scienze dell'atmosfera e planetarie. Se il liquido gocciolante ha una viscosità o una tensione superficiale diversa, o se l'apertura del rubinetto è di dimensioni diverse, "non importa. Puoi trovare relazioni che ti permettono di determinare una curva principale o un comportamento principale per descrivere quel processo, " lui dice.

Ma quando si tratta di ciò che è, in un senso, il processo opposto a un rubinetto che gocciola - l'iniezione di aria attraverso un'apertura in un grande serbatoio di liquido come una vasca idromassaggio - il processo non è universale. "Quindi se hai irregolarità nell'orifizio, o se l'orifizio è più grande o più piccolo, o se inietti con una certa pulsazione, tutto ciò porterà a un diverso pinch-off delle bolle, " dice Juanes.

I nuovi esperimenti prevedevano la percolazione di gas su liquidi viscosi come il petrolio. In uno spazio sconfinato, le dimensioni delle bolle sono imprevedibili, ma la situazione cambia quando invece si trasformano in liquido in un tubo. Fino a un certo punto, la dimensione e la forma del tubo non contano, né le caratteristiche dell'orifizio attraverso il quale passa il gas. Invece le bolle, come le gocce di un rubinetto, sono di dimensioni e spaziatura uniformi.

Pahlavan dice, "Il nostro lavoro è davvero un racconto di due osservazioni sorprendenti; la prima osservazione sorprendente è arrivata circa 15 anni fa, quando un altro gruppo che studiava la formazione di bolle in grandi serbatoi di liquidi ha osservato che il processo di pinch-off non è universale" e dipende dai dettagli della configurazione sperimentale. "La seconda sorpresa ora arriva nel nostro lavoro, il che dimostra che confinare la bolla all'interno di un tubo capillare rende il pinch-off insensibile ai dettagli dell'esperimento e quindi universale."

Questa osservazione è "sorprendente, " lui dice, perché intuitivamente potrebbe sembrare che le bolle in grado di muoversi liberamente attraverso il liquido siano meno influenzate dalle loro condizioni iniziali rispetto a quelle che sono racchiuse. Ma si è rivelato vero il contrario. Si scopre che le interazioni tra il tubo e la bolla in formazione, come una linea di contatto tra l'aria e il liquido avanza lungo l'interno del tubo, giocare un ruolo importante. Questo "cancella efficacemente la memoria del sistema, dei dettagli delle condizioni iniziali, e quindi restituisce l'universalità al pizzico di una bolla, " lui dice.

Sebbene tale ricerca possa sembrare esoterica, i suoi risultati hanno potenziali applicazioni in una varietà di contesti pratici, dice Pahlavan. "La generazione controllata di gocce e bolle è molto desiderabile nella microfluidica, con molte applicazioni in mente. Alcuni esempi sono la stampa a getto d'inchiostro, imaging medico, e la produzione di materiali particolati".

La nuova comprensione è importante anche per alcuni processi naturali. "Nelle applicazioni geofisiche, vediamo spesso flussi di fluidi in spazi molto stretti e ristretti, " dice. Queste interazioni tra i fluidi e i grani circostanti sono spesso trascurate nell'analisi di tali processi. Ma il comportamento di tali sistemi geologici è spesso determinato da processi a scala di grano, il che significa che il tipo di analisi su microscala svolto in questo lavoro potrebbe essere utile per comprendere anche situazioni su così vasta scala.

La formazione di bolle in tali formazioni geologiche può essere una benedizione o una maledizione, a seconda del contesto, Juanes dice, ma in ogni caso è importante capire. Per il sequestro del carbonio, Per esempio, la speranza è pompare anidride carbonica, separato dalle emissioni delle centrali elettriche, in formazioni profonde per evitare che il gas fuoriesca nell'atmosfera. In questo caso, la formazione di bolle in piccoli spazi porosi nella roccia è un vantaggio, perché le bolle tendono a bloccare il flusso e a mantenere il gas ancorato in posizione, impedendogli di fuoriuscire.

Ma per lo stesso motivo, la formazione di bolle in un pozzo di gas naturale può essere un problema, perché può anche bloccare il flusso, inibendo la capacità di estrarre il gas naturale desiderato. "Può essere immobilizzato nello spazio dei pori, " dice. "Ci vorrebbe una pressione molto maggiore per poter spostare quella bolla".