Ένας φοιτητής πανεπιστημίου λύθηκε πρόσφατα μια ερώτηση που είναι αμηχανία φυσικοί για περισσότερο από μισό αιώνα: Γιατί οι φυσαλίδες αερίου φαίνεται να κολλήσουν μέσα σε στενούς κάθετους σωλήνες; Η απάντηση μπορεί να σας βοηθήσει να εξηγήσετε τη συμπεριφορά των φυσικών αερίων που είναι παγιδευμένα σε πορώδη πετρώματα.
Πριν από χρόνια, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι οι φυσαλίδες αερίου σε έναν αρκετά στενό σωλήνα γεμάτο με υγρό δεν κινήθηκαν. Αλλά αυτό είναι "ένα είδος παράδοξο", δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας John Kolinski, βοηθός καθηγητής στο τμήμα μηχανολογίας στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάννης (EPFL).
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η φυσαλίδα αερίου είναι λιγότερο πυκνή από το υγρό που την περιβάλλει, οπότε θα πρέπει να ανέβει στην κορυφή του σωλήνα (ακριβώς όπως οι φυσαλίδες αέρα σε ένα ποτήρι αφρώδους νερού θα ανέβουν στην κορυφή). Επιπλέον, η μόνη αντίσταση ροής σε ένα υγρό έρχεται όταν το υγρό κινείται, αλλά στην περίπτωση αυτή το υγρό στέκεται ακίνητο.
Για να λύσει την περίπτωση της πεισματικής φυσαλίδας, ο Kolinski και ο Wassim Dhaouadi, ο οποίος ήταν προπτυχιακός φοιτητής μηχανικής που εργαζόταν τότε στο εργαστήριο του Kolinski και τώρα ολοκληρώνει το μεταπτυχιακό του στην ETH Zurich, αποφάσισε να το δοκιμάσει χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που ονομάζεται «μικροσκοπία παρεμβολής». " Αυτή η μέθοδος είναι η ίδια με εκείνη που χρησιμοποιείται από τον ανιχνευτή ακτινοβολίας κυματοθρεπτικών κυμάτων (LIGO) για την εύρεση βαρυτικών κυμάτων, ανέφερε ο Κολίνσκι.
Αλλά σε αυτή την περίπτωση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα παρασκεύασμα μικροσκόπιο που λάμπει ένα φως στο δείγμα και μετρά την ένταση του φωτός που αναπηδά πίσω. Επειδή το φως αναπηδά διαφορετικά ανάλογα με το τι χτυπά, οι μετρήσεις του φωτός που αναπηδούν πίσω μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να καταλάβουν πόσο "παχύ" είναι ένα υλικό. Με αυτόν τον τρόπο, ανίχνευσαν μια φουσκωτή φυσαλίδα παγιδευμένη μέσα σε ένα λεπτό σωλήνα γεμάτο με ένα αλκοόλ που ονομάζεται ισοπροπανόλη. Το αλκοόλ τους επέτρεψε να έχουν ένα "αυτοκαθαριζόμενο πείραμα", το οποίο ήταν απαραίτητο επειδή τα αποτελέσματα θα είχαν ενοχληθεί από οποιαδήποτε μόλυνση ή βρωμιά, είπε ο Κολίνσκι.
Ξεκινώντας από έναν επιστήμονα που ονομάστηκε Bretherton στη δεκαετία του 1960, οι ερευνητές διερεύνησαν αυτό το φαινόμενο θεωρητικά, αλλά ποτέ δεν μετρήθηκε άμεσα. Κάποιοι υπολογισμοί υποδηλώνουν ότι η φούσκα περιβάλλεται από ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα υγρού που αγγίζει τις πλευρές του σωλήνα, το οποίο μειώνεται αργά σε μέγεθος και τελικά εξαφανίζεται, δήλωσε ο Kolinski. Αυτό το λεπτό στρώμα θα δημιουργούσε αντοχή στην κίνηση της φούσκας καθώς προσπαθεί να αυξηθεί.
Οι ερευνητές πράγματι παρατηρούσαν αυτό το πολύ λεπτό στρώμα γύρω από τη φυσαλίδα αερίων και το μέτρησαν περίπου 1 nanometer πάχος. Αυτό καταστέλλει την κίνηση της φούσκας όπως είχε προβλέψει το θεωρητικό έργο. Αλλά επίσης βρήκαν ότι η υγρή στιβάδα (η οποία σχηματίζεται επειδή η πίεση στην φυσαλίδα αερίου πιέζει στα τοιχώματα του σωλήνα) δεν εξαφανίζεται, αλλά μάλλον παραμένει σε σταθερό πάχος ανά πάσα στιγμή.
Με βάση τις μετρήσεις τους για το λεπτό στρώμα του υγρού, ήταν επίσης σε θέση να υπολογίσουν την ταχύτητά του. Διαπίστωσαν ότι η φυσαλίδα αερίων δεν έχει κολλήσει καθόλου, αλλά μάλλον κινείται "εξαιρετικά αργά", με ρυθμό αόρατο στο γυμνό μάτι, λόγω της αντίστασης που προκαλείται από το λεπτό στρώμα, δήλωσε ο Κολίνσκι. Ωστόσο, διαπίστωσαν ότι με τη θέρμανση του υγρού και της φυσαλίδας, ήταν σε θέση να κάνουν τη λεπτή στρώση να εξαφανιστεί - μια νέα ιδέα που θα μπορούσε να είναι «συναρπαστική» για να εξερευνήσει σε μελλοντικές έρευνες, πρόσθεσε.
Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ενημέρωση του τομέα των επιστημών της γης «Κάθε φορά που έχετε αέριο που είναι περιορισμένο σε ένα πορώδες μέσο», όπως φυσικό αέριο σε πορώδη βράχο ή εάν προσπαθείτε να πάτε προς την αντίθετη κατεύθυνση και να παγιδεύσετε διοξείδιο του άνθρακα μέσα στο βράχο, τότε έχετε πολλές φυσαλίδες αερίου που βρίσκονται περιορισμένους χώρους, είπε ο Κολίνσκι. "Οι παρατηρήσεις μας σχετίζονται με τη φυσική του τρόπου με τον οποίο περιορίζονται αυτές οι φυσαλίδες αερίων".
Αλλά το άλλο μέρος του ενθουσιασμού είναι ότι αυτή η μελέτη δείχνει ότι "μπορείτε να έχετε ανθρώπους σε όλα τα στάδια της σταδιοδρομίας τους που κάνουν πολύτιμες συμβολές", δήλωσε ο Κολίνσκι. Dhaouadi "οδήγησε το έργο σε ένα επιτυχημένο αποτέλεσμα", δήλωσε ο Kolinski.
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στις 2 Δεκεμβρίου στο περιοδικό Physical Review Fluids.
