研究人員解開了氣泡如何在液體中形成的神秘面紗

液體中氣泡的形成與其逆過程非常相似，即從滴水龍頭形成液滴。但所涉及的物理實(shí)際上是完全不同的，雖然這些水滴的大小和間距是均勻的，但氣泡形成通常是一個(gè)更隨機(jī)的過程。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和普林斯頓大學(xué)的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，在某些條件下，氣泡也可以被誘導(dǎo)形成與液滴完美匹配的球體。

研究人員說，這些新發(fā)現(xiàn)可能對生物醫(yī)學(xué)研究的微流體裝置的發(fā)展以及了解天然氣與地下巖層微小孔隙空間中的石油相互作用的方式產(chǎn)生影響。該研究結(jié)果發(fā)表于今天的PNAS期刊，由麻省理工學(xué)院的畢業(yè)生Amir Pahlavan博士撰寫。'18，普林斯頓大學(xué)的Howard Stone教授，麻省理工學(xué)院工程學(xué)院教學(xué)創(chuàng)新教授Gareth McKinley和麻省理工學(xué)院教授Ruben Juanes。

Juanes解釋說，產(chǎn)生均勻尺寸和間隔氣泡的關(guān)鍵在于將它們限制在狹窄的空間內(nèi)。當(dāng)空氣或氣體釋放到大容器液體中時(shí)，氣泡的散布會(huì)被散射。然而，當(dāng)釋放到限制在相對窄的管中的液體中時(shí)，氣體將產(chǎn)生完全匹配尺寸的氣泡流，并以均勻的間隔形成。這種統(tǒng)一且可預(yù)測的行為，與特定的起始條件無關(guān)，被稱為普遍性。

形成液滴或氣泡的過程非常相似，從流動(dòng)材料(無論是空氣還是水)的伸長開始，最終導(dǎo)致將液滴或氣泡連接到流動(dòng)材料的“頸部”變薄和夾斷。然后，夾斷使得液滴或氣泡塌縮成球形。圖片吹肥皂泡：當(dāng)你吹過戒指時(shí)，一管肥皂膜逐漸向外伸展，然后捏開，形成一個(gè)漂浮的圓形氣泡。

“從水龍頭滴下液滴的過程被認(rèn)為是普遍的，”Juanes說，他在土木與環(huán)境工程和地球，大氣和行星科學(xué)部門聯(lián)合任命。如果滴液具有不同的粘度或表面張力，或者水龍頭的開口尺寸不同，“無所謂。您可以找到允許您確定主曲線或主要行為的關(guān)系來描述過程，“他說。

但是，從某種意義上講，對于滴水龍頭的相反過程 - 通過開口將空氣注入大型液體罐(如按摩浴缸) - 這個(gè)過程并不普遍。“因此，如果你的孔口有不規(guī)則性，或者孔口大或小，或者你注入了一些脈動(dòng)，那么所有這些都會(huì)導(dǎo)致不同的氣泡夾斷，”Juanes說。

新實(shí)驗(yàn)涉及氣體滲透到粘性液體如油上。在無限制的空間中，氣泡的大小是不可預(yù)測的，但是當(dāng)它們在管中形成液體時(shí)會(huì)發(fā)生變化。在某一點(diǎn)上，管的尺寸和形狀無關(guān)緊要，氣體的孔的特性也不會(huì)產(chǎn)生。相反，氣泡，如來自水龍頭的液滴，尺寸均勻且間隔均勻。

Pahlavan說：“我們的工作實(shí)際上是兩個(gè)令人驚訝的觀察的故事;第一個(gè)令人驚訝的觀察發(fā)生在大約15年前，當(dāng)時(shí)另一個(gè)研究大型液體罐中氣泡形成的小組觀察到夾斷過程是非通用的”并取決于實(shí)驗(yàn)裝置的細(xì)節(jié)。“第二個(gè)驚喜現(xiàn)在出現(xiàn)在我們的工作中，這表明將氣泡限制在毛細(xì)管內(nèi)使得夾斷對實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)不敏感，因此是普遍的。”

他說，這種觀察結(jié)果“令人驚訝”，因?yàn)閺闹庇X上看，似乎能夠在液體中自由移動(dòng)的氣泡受初始條件的影響要小于那些被包圍的氣泡。但事實(shí)恰恰相反。事實(shí)證明，管和成形氣泡之間的相互作用，作為空氣和液體之間沿管內(nèi)部前進(jìn)的接觸線起著重要作用。他說：“這有效地消除了系統(tǒng)的記憶，初始條件的細(xì)節(jié)，從而恢復(fù)了泡沫夾斷的普遍性。”

雖然這樣的研究可能看起來很深?yuàn)W，但其研究結(jié)果在各種實(shí)際環(huán)境中具有潛在的應(yīng)用，Pahlavan說。“在微流體中非常需要控制液滴和氣泡的產(chǎn)生，并考慮到許多應(yīng)用。一些例子是噴墨打印，醫(yī)學(xué)成像和制造顆粒材料。”

新的理解對于某些自然過程也很重要。“在地球物理應(yīng)用中，我們經(jīng)常看到流體在非常狹窄和狹窄的空間內(nèi)流動(dòng)，”他說。在分析這些過程時(shí)，通常忽略流體和周圍顆粒之間的這些相互作用。但是這種地質(zhì)系統(tǒng)的行為往往是由粒度過程決定的，這意味著在這項(xiàng)工作中進(jìn)行的那種微尺度分析有助于理解這種非常大規(guī)模的情況。

Juanes說，根據(jù)具體情況，這種地質(zhì)構(gòu)造中的氣泡形成可能是一種祝?；蛟{咒，但無論哪種方式，理解這一點(diǎn)都很重要。例如，對于碳封存，希望將從發(fā)電廠排放中分離出的二氧化碳泵入深層，以防止氣體進(jìn)入大氣。在這種情況下，在巖石的微小孔隙中形成氣泡是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闅馀輧A向于阻塞流動(dòng)并使氣體保持在適當(dāng)位置，防止氣體泄漏回來。

但出于同樣的原因，天然氣井中的氣泡形成可能是一個(gè)問題，因?yàn)樗矔?huì)阻塞流動(dòng)，抑制提取所需天然氣的能力。“它可以固定在孔隙空間中，”他說。“能夠推動(dòng)這一泡沫需要更大的壓力。”