La formación de burbujas de aire en un líquido parece muy similar a su proceso inverso, la formación de gotas de líquido de, por ejemplo, un grifo de agua que gotea. Pero la física involucrada es realmente muy diferente, y aunque esas gotas de agua son uniformes en sutamaño y espacio, la formación de burbujas suele ser un proceso mucho más aleatorio.
Ahora, un estudio realizado por investigadores del MIT y la Universidad de Princeton muestra que, bajo ciertas condiciones, las burbujas también pueden ser inducidas a formar esferas tan perfectamente combinadas como las gotas.
Los nuevos hallazgos podrían tener implicaciones para el desarrollo de dispositivos microfluídicos para la investigación biomédica y para comprender la forma en que el gas natural interactúa con el petróleo en los pequeños espacios porosos de las formaciones rocosas subterráneas, dicen los investigadores. Los hallazgos se publican hoy en la revista PNAS en un artículo del graduado del MIT Amir Pahlavan PhD '18, el profesor Howard Stone de Princeton, el Profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería del MIT Gareth McKinley y el Profesor del MIT Ruben Juanes.
Explica Juanes que la clave para producir burbujas espaciadas y de tamaño uniforme es confinarlas en un espacio estrecho. Cuando se libera aire o gas en un recipiente grande de líquido, la dispersión de las burbujas se dispersa. Cuando se libera en un líquido confinadoen un tubo relativamente estrecho, sin embargo, el gas producirá una corriente de burbujas perfectamente igualadas en tamaño y que se formarán a intervalos regulares. Este comportamiento uniforme y predecible, independiente de las condiciones de partida específicas, se conoce como universalidad.
El proceso de formación de gotas o burbujas es muy similar, comenzando con un alargamiento del material que fluye ya sea aire o agua, y eventualmente un adelgazamiento y pellizco del "cuello" que conecta la gota o la burbuja almaterial que fluye. Ese pellizco luego permite que la gota o la burbuja colapsen en una forma esférica. Imagen soplando pompas de jabón: a medida que soplas a través del anillo, un tubo de película de jabón se extiende gradualmente hacia afuera en una bolsa larga antes de pellizcarse para formar unburbuja redonda que se aleja flotando
"Se sabe que el proceso del goteo de una gota de un grifo es universal", dice Juanes, quien tiene una cita conjunta en los departamentos de Ingeniería Civil y Ambiental y Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias. Si el líquido que gotea tiene un efecto diferenteviscosidad o tensión superficial, o si la apertura del grifo es de un tamaño diferente, "no importa. Puede encontrar relaciones que le permitan determinar una curva maestra o un comportamiento maestro para describir ese proceso", dice.
Pero cuando se trata de lo que es, en cierto sentido, el proceso opuesto a un grifo que gotea: la inyección de aire a través de una abertura en un tanque grande de líquido, como una bañera de hidromasaje, el proceso no es universal ".Entonces, si tiene irregularidades en el orificio, o si el orificio es más grande o más pequeño, o si inyecta algo de pulsación, todo eso conducirá a un pellizco diferente de las burbujas ", dice Juanes.
Los nuevos experimentos involucraron la filtración de gas en líquidos viscosos como el aceite. En un espacio no confinado, el tamaño de las burbujas es impredecible, pero la situación cambia cuando burbujean en líquido en un tubo. Hasta cierto punto, el tamañoy la forma del tubo no importa, ni las características del orificio por el que pasa el gas. En cambio, las burbujas, como las gotas de un grifo, tienen un tamaño y espacio uniforme.
Pahlavan dice: "Nuestro trabajo es realmente una historia de dos observaciones sorprendentes; la primera observación sorprendente se produjo hace 15 años, cuando otro grupo que investigaba la formación de burbujas en grandes tanques de líquido observó que el proceso de extracción no es universal" y dependesobre los detalles de la configuración experimental: "La segunda sorpresa ahora viene en nuestro trabajo, que muestra que confinar la burbuja dentro de un tubo capilar hace que el pellizco sea insensible a los detalles del experimento y, por lo tanto, universal".
Esta observación es "sorprendente", dice, porque intuitivamente podría parecer que las burbujas capaces de moverse libremente a través del líquido se verían menos afectadas por sus condiciones iniciales que las que están encerradas. Pero lo contrario resultó ser cierto.Resulta que las interacciones entre el tubo y la burbuja de formación, ya que una línea de contacto entre el aire y el líquido avanza a lo largo del interior del tubo, juegan un papel importante. Esto "borra efectivamente la memoria del sistema, de los detallesde las condiciones iniciales y, por lo tanto, restaura la universalidad al pinchazo de una burbuja ", dice.
Si bien dicha investigación puede parecer esotérica, sus hallazgos tienen aplicaciones potenciales en una variedad de entornos prácticos, dice Pahlavan. "La generación controlada de gotas y burbujas es muy deseable en microfluídica, con muchas aplicaciones en mente. Algunos ejemplos son la impresión por inyección de tinta,imágenes médicas y fabricación de materiales en partículas "
La nueva comprensión también es importante para algunos procesos naturales. "En las aplicaciones geofísicas, a menudo vemos flujos de fluidos en espacios muy estrechos y confinados", dice. Estas interacciones entre los fluidos y los granos circundantes a menudo se descuidan al analizar dichos procesos.Pero el comportamiento de tales sistemas geológicos a menudo está determinado por procesos a escala de grano, lo que significa que el tipo de análisis de microescala realizado en este trabajo podría ser útil para comprender incluso situaciones de gran escala.
La formación de burbujas en tales formaciones geológicas puede ser una bendición o una maldición, según el contexto, dice Juanes, pero de cualquier manera es importante entenderlo. Para el secuestro de carbono, por ejemplo, la esperanza es bombear dióxido de carbono, separadodesde las emisiones de la planta de energía hasta las formaciones profundas para evitar que el gas salga a la atmósfera. En este caso, la formación de burbujas en pequeños espacios de poros en la roca es una ventaja, porque las burbujas tienden a bloquear el flujo y mantener el gasanclado en su posición, evitando que se escape de nuevo.
Pero por la misma razón, la formación de burbujas en un pozo de gas natural puede ser un problema, ya que también puede bloquear el flujo, inhibiendo la capacidad de extraer el gas natural deseado. "Puede inmovilizarse en el espacio de los poros".dice: "Se necesitaría una presión mucho mayor para poder mover esa burbuja".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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