Vysokoškolský študent nedávno vyriešil otázku, ktorá je zmätená fyzikov viac ako pol storočia: Prečo sa zdá, že sa plynové bubliny zasekávajú vo vnútri úzkych vertikálnych trubíc? Odpoveď môže pomôcť vysvetliť správanie prírodných plynov, ktoré sa zachytávajú v pórovitých horninách.
Pred rokmi si fyzici všimli, že bubliny plynu v dostatočne úzkej skúmavke naplnenej tekutinou sa nepohybujú. Ale to je „druh paradoxu“, povedal vedúci autor John Kolinski, odborný asistent na katedre strojárstva na Švajčiarskom federálnom technologickom inštitúte Lausanne (EPFL).
Je to preto, že plynová bublina je menej hustá ako tekutina, ktorá ju obklopuje, takže by mala stúpať na hornú časť skúmavky (rovnako ako vzduchové bubliny v pohári šumivej vody stúpajú na vrchol). A čo viac, jediný odpor proti prúdeniu v kvapaline nastane, keď sa táto kvapalina pohybuje, ale v tomto prípade tekutina stojí.
Na vyriešenie prípadu tvrdohlavej bubliny sa Kolinski a Wassim Dhaouadi, ktorý bol v tom čase vysokoškolským študentom strojárstva pracujúcim v kolínskom laboratóriu a teraz dokončuje magisterský titul v ETH v Zürichu, sa rozhodli túto sondu vyskúšať pomocou metódy nazývanej „interferenčná mikroskopia“. " Táto metóda je rovnaká ako metóda používaná detektorom gravitačného vlnového observatória LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) na zistenie gravitačných vĺn, uviedol Kolinski.
V tomto prípade však vedci použili mikroskop na zakázku, ktorý na vzorku žiari svetlo a meria intenzitu svetla, ktoré sa odrazí späť. Pretože svetlo odrazí späť odlišne na základe toho, čo zasiahne, môžu merania odrazenia svetla pomôcť vedcom zistiť, aký „hrubý“ materiál je. Týmto spôsobom sondovali vzostupnú bublinu uviaznutú vo vnútri tenkej skúmavky naplnenej alkoholom nazývaným izopropanol. Alkohol im umožnil vykonať „samočistiaci experiment“, čo bolo nevyhnutné, pretože výsledky by boli zničené akoukoľvek kontamináciou alebo špinou, uviedol Kolinski.
Počnúc vedcom menom Bretherton v 60. rokoch 20. storočia vedci tento jav skúmali teoreticky, nikdy predtým sa však priamo nemerali. Niektoré výpočty naznačujú, že bublina je obklopená extrémne tenkou vrstvou tekutiny dotýkajúcou sa strán rúrky, ktorá sa pomaly zmenšuje a nakoniec zmizne, uviedol Kolinski. Táto tenká vrstva by spôsobovala odpor pri pohybe bubliny, keď sa snaží stúpať.
Vedci skutočne pozorovali túto veľmi tenkú vrstvu okolo plynovej bubliny a zmerali ju na asi 1 nanometrovú hrúbku. To tlmí pohyb bubliny, ako predpokladala teoretická práca. Zistili však tiež, že vrstva tekutiny (ktorá sa vytvára, pretože tlak v plynovej bubline tlačí na steny trubice) nezmizne, ale skôr zostáva konštantná hrúbka.
Na základe svojich meraní tenkej vrstvy tekutiny boli tiež schopní vypočítať jej rýchlosť. Zistili, že plynová bublina vôbec nie je prilepená, ale skôr sa pohybuje „mimoriadne pomaly“ tempom neviditeľným voľným okom v dôsledku odporu spôsobeného tenkou vrstvou, uviedol Kolinski. Zistili však tiež, že zahriatím kvapaliny a bublín dokázali zmiznúť tenkú vrstvu - nový nápad, ktorý by mohol byť „vzrušujúci“ na skúmanie v budúcom výskume, dodal.
Ich objavy by mohli pomôcť informovať o odbore prírodných vied. „Kedykoľvek máte plyn, ktorý je uzavretý v poréznom médiu,“ napríklad zemný plyn v poréznej hornine, alebo ak sa snažíte ísť opačným smerom a zachytiť oxid uhličitý vo vnútri horniny, potom máte veľa bublín plynu, ktoré sú v Kolinski povedal. "Naše pozorovania sa týkajú fyziky toho, ako sú tieto plynové bubliny obmedzené."
Druhou časťou vzrušenia je, že táto štúdia ukazuje, že „môžete mať ľudí vo všetkých fázach ich kariéry, aby prinášali cenné príspevky,“ povedal Kolinski. Dhaouadi „projekt nasmeroval k úspešnému výsledku,“ povedal Kolinski.
Zistenia boli publikované 2. decembra v časopise Physical Review Fluids.
