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La formación de burbujas de aire en un líquido parece muy similar a su proceso inverso, la formación de gotas líquidas de, por ejemplo, un grifo de agua que gotea. Pero la física involucrada es en realidad bastante diferente y, aunque el tamaño y la separación de las gotas de agua son uniformes, 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 se pueden domesticar para formar esferas tan perfectamente combinadas como las gotas.
Los nuevos hallazgos pueden tener implicaciones para el desarrollo de dispositivos microfluídicos para la investigación biomédica y para comprender la interacción del gas natural con el petróleo en los pequeños espacios porosos de las formaciones rocosas subterráneas, dicen los investigadores. Los resultados se publican hoy en la revista. PNASen un artículo escrito por Amir Pahlavan, Ph.D.18, graduado del MIT, por el profesor Howard Stone de Princeton, Gareth McKinley, profesor de innovación pedagógica en la Escuela Escolar del MIT, y el profesor Ruben Juanes, Ph.D. MIT.
La clave para producir burbujas de tamaño y espaciado uniformes radica en su confinamiento en un espacio estrecho, explica Juanes. Cuando se liberan aire o gases en un gran depósito de líquido, la dispersión de las burbujas se dispersa. Una vez liberado en un líquido confinado en un tubo relativamente estrecho, el gas producirá un flujo de burbujas perfectamente adaptado y se formará a intervalos regulares. Este comportamiento uniforme y predecible, independiente de las condiciones de inicio específicas, se llama 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 posiblemente adelgazamiento y pellizco del "cuello". Conectando la gota o burbuja al material que fluye. . Este pellizco permite que la gota o la burbuja se doblen para tomar una forma esférica. Imagen que sopla pompas de jabón: cuando soplas en el anillo, un tubo de película de jabón se extiende gradualmente hacia afuera en un bolsillo largo antes de pellizcar para formar una burbuja redonda que flota.
Movimiento de una microburbuja cerca del cuello de la burbuja. La microburbuja actúa aquí como un marcador que indica la dirección del flujo.
"Se sabe que el proceso de gotas que gotea de un grifo es universal", dice Juanes, quien trabaja conjuntamente para los departamentos de Ingeniería Civil y Medio Ambiente y Ciencias de la Tierra, Atmósfera y Recursos Naturales. planetas. Si el líquido que gotea tiene una viscosidad o tensión superficial diferente, o si la abertura de la válvula es de un tamaño diferente, "no importa. Puede encontrar relaciones que le permitan determinar una curva maestra o un comportamiento maestro para describir este proceso ", explica.
Pero en términos 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 gran depósito de líquido como un jacuzzi, 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 una pulsación, todo esto conducirá a un pellizco diferente de las burbujas", explica Juanes. .
Los nuevos experimentos involucraron la filtración de gases en líquidos viscosos como el petróleo. En un espacio no confinado, el tamaño de las burbujas es impredecible, pero la situación cambia a medida que se convierten en líquido en un tubo. Hasta cierto punto, el tamaño y la forma del tubo importan poco, ni las características del orificio a través del cual pasa el gas. En cambio, las burbujas, como las gotas de un grifo, son de tamaño uniforme y separadas.
Evolución del borde de humectación y ruptura final de la burbuja en el tubo capilar. Cortesía de los investigadores.
Pahlavan dice: "Nuestro trabajo es en realidad una historia de dos observaciones sorprendentes. La primera observación sorprendente tuvo lugar hace unos quince años, cuando otro grupo que investigaba la formación de burbujas en grandes depósitos de fluidos descubrió que el proceso de pellizco no era universal "y dependía de 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 en el líquido se verían menos afectadas por sus condiciones iniciales que las que están rodeadas. Pero lo contrario ha resultado ser cierto. Resulta que las interacciones entre el tubo y la burbuja en formación, cuando 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, los detalles de las condiciones iniciales y, por lo tanto, restaura la universalidad al pellizco de una burbuja", dice.
Si bien esta investigación puede parecer esotérica, sus resultados tienen aplicaciones potenciales en una variedad de contextos prácticos, dice Pahlavan. "La generación controlada de gotas y burbujas es muy deseable en microfluídica, y está dirigida a muchas aplicaciones. Algunos ejemplos son la impresión por inyección de tinta, la imagen médica y la fabricación de materiales en partículas. "
La nueva comprensión también es importante para algunos procesos naturales. "En aplicaciones geofísicas, a menudo vemos flujos de fluidos en espacios muy estrechos y confinados", explica. Estas interacciones entre fluidos y granos circundantes a menudo se pasan por alto al analizar tales 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 a pequeña escala realizado en este trabajo podría ser útil para comprender incluso situaciones muy grandes. escala.
Según Juanes, la formación de burbujas en tales formaciones geológicas puede ser una bendición o una maldición, pero es importante entenderlo. Para el secuestro de carbono, por ejemplo, la esperanza es bombear dióxido de carbono, separado de las emisiones de la central eléctrica, en formaciones profundas para evitar que el gas escape a la atmósfera. En este caso, la formación de burbujas en espacios porosos diminutos de la roca es una ventaja porque las burbujas tienden a bloquear el flujo y mantener el gas anclado en su posición, evitando que se escape.
Pero por la misma razón, la formación de burbujas en un pozo de gas natural puede ser un problema porque también puede bloquear el flujo, inhibiendo la capacidad de extraer el gas natural deseado. "Puede quedar inmovilizado en los poros", dice. "Se necesitaría mucha más presión para mover esa burbuja".
"Es un trabajo muy agradable y ordenado", dice Jens Eggers, profesor de matemática aplicada en la Universidad de Bristol, Reino Unido, que no participó en esta investigación. "No hace falta decir que gran parte del éxito de este documento radica en el hecho de que está respaldado por experimentos meticulosos y cuantitativos".
Estos resultados, dice, reflejan el hecho de que hay "mucha más complejidad
Eggers agrega: "Por supuesto, comprender esta complejidad es crucial para las aplicaciones, donde uno no tiene la opción de elegir una parte particularmente simple del problema, sino tener que lidiar con todas las complicaciones. "
