Egy egyetemi hallgató nemrégiben egy olyan kérdést oldott meg, amely fél éve több mint fél évszázados fizikusokat zavart: Miért tűnnek gázbuborékok beragadni a keskeny függőleges csövekbe? A válasz segíthet megmagyarázni a porózus kőzetekbe csapdába ejtett természetes gázok viselkedését.
Évekkel ezelőtt a fizikusok észrevették, hogy a folyadékkal töltött kellően keskeny csőben a gázbuborékok nem mozognak. De ez "egyfajta paradoxon" - mondta John Kolinski, a Lausanne-i Svájci Szövetségi Technológiai Intézet (EPFL) gépészmérnöki tanszékének adjunktusának, egyetemi docensnek.
Ennek oka az, hogy a gázbuborék kevésbé sűrű, mint a körülötte lévő folyadék, tehát a cső tetejére kell emelkednie (ugyanúgy, mint egy pohár pezsgővízben a légbuborékok felmegynek). Mi több, az egyetlen folyadékáramlási ellenállás akkor fordul elő, amikor a folyadék mozog, de ebben az esetben a folyadék mozdulatlanul áll.
A makacs buborék esetének megoldására Kolinski és Wassim Dhaouadi, akik akkoriban egyetemi hallgatóként dolgoztak Kolinski laboratóriumában, és magiszteri diplomát végeznek a zürichi ETH-ban, úgy döntöttek, hogy az interferencia-mikroszkópia módszerével tesztelik. " Ez a módszer ugyanaz a módszer, amelyet a lézerinterferométer gravitációs hullámok megfigyelőközpontja (LIGO) detektor használ a gravitációs hullámok meghatározására - mondta Kolinski.
De ebben az esetben a kutatók egyedi gyártású mikroszkópot használtak, amely fényt sugároz a mintára, és méri a visszapattanó fény intenzitását. Mivel a fény eltérően tér vissza annak alapján, amit eltalál, a visszatérő fény mérése segíthet a kutatóknak kitalálni, milyen "vastag" anyag. Ilyen módon vizsgálták az izopropanollal elnevezett alkohollal megtöltött vékony cső belsejében csapdába eső úszó buborékot. Az alkohol lehetővé tette számukra egy "öntisztító kísérlet" elvégzését, amelyre szükség volt, mert az eredményeket bármilyen szennyeződés vagy szennyeződés összezavarná - mondta Kolinski.
A Bretherton nevű tudósgal kezdve az 1960-as években a kutatók ezt a jelenséget elméletileg vizsgálták, ám ezt még soha nem mérték közvetlenül. Egyes számítások szerint a buborékot egy rendkívül vékony folyadékréteg veszi körül, amely megérinti a cső oldalát, amelynek mérete lassan csökken, és végül eltűnik - mondta Kolinski. Ez a vékony réteg ellenállást okozna a buborék mozgásának, miközben megpróbál emelkedni.
A kutatók valóban megfigyelték ezt a nagyon vékony réteget a gázbuborék körül, és körülbelül 1 nanométer vastagsággal megmérték. Ez az, ami az elméleti munka előrejelzése szerint megállította a buborék mozgását. Azt is megállapították, hogy a folyadékréteg (amely azért képződik, mert a gázbuborékban a nyomás a cső falához nyomódik) nem tűnik el, hanem állandó vastagságú marad mindig.
A vékony folyadékréteg mérése alapján képesek voltak kiszámítani annak sebességét is. Azt találták, hogy a gázbuborék egyáltalán nem ragad meg, hanem inkább "rendkívül lassan" mozog szabad szemmel láthatatlan ütemben a vékonyréteg által okozott ellenállás miatt - mondta Kolinski. Ugyanakkor azt is felfedezték, hogy a folyadék és a buborék felmelegítésével képesek voltak a vékony réteg eltűnni - ez egy új ötlet, amelyet "izgalmas" lehet tanulmányozni a jövőbeli kutatások során - tette hozzá.
Megállapításaik segítséget nyújthatnak a földtudomány területén. "Ha van egy olyan gáz, amely korlátozott porózus közegben", például a porózus kőzetben található földgáz, vagy ha az ellenkező irányba próbálkozik, és csapdába ejti a szén-dioxidot a kőzetben, akkor sok gázbuborék van zárt terek - mondta Kolinski. "Megfigyeléseink relevánsak a fizika szempontjából, hogy ezek a gázbuborékok miként korlátozódnak."
De az izgalom másik része az, hogy ez a tanulmány azt mutatja, hogy "a karrier minden szakaszában az emberek értékes hozzájárulással járhatnak" - mondta Kolinski. Dhaouadi "a projektet a sikeres eredmény felé hajtotta" - mondta Kolinski.
Az eredményeket 2. decemberben a Physical Review Fluids folyóiratban tették közzé.
