Die Bildung von Luftblasen in einer Flüssigkeit scheint ihrem umgekehrten Prozess, der Bildung von Flüssigkeitströpfchen beispielsweise aus einem tropfenden Wasserhahn, sehr ähnlich zu sein. Doch die zugrunde liegende Physik ist tatsächlich ganz anders, und obwohl diese Wassertröpfchen in Größe und Abstand einheitlich sind, ist die Blasenbildung typischerweise ein viel zufälligerer Prozess.
Nun zeigt eine Studie von Forschern des MIT und der Princeton University, dass Blasen unter bestimmten Bedingungen auch dazu gebracht werden können, Kugeln zu bilden, die so perfekt aufeinander abgestimmt sind wie Tröpfchen.
Die neuen Erkenntnisse könnten Auswirkungen auf die Entwicklung mikrofluidischer Geräte für die biomedizinische Forschung und auf das Verständnis der Art und Weise haben, wie Erdgas mit Erdöl in den winzigen Porenräumen unterirdischer Gesteinsformationen interagiert, sagen die Forscher. Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift PNAS in einem Artikel von MIT-Absolvent Amir Pahlavan PhD '18, Professor Howard Stone aus Princeton, Gareth McKinley, Professor für Lehrinnovation an der MIT School of Engineering, und MIT-Professor Ruben Juanes veröffentlicht.
Der Schlüssel zur Erzeugung gleichmäßig großer und gleichmäßig verteilter Blasen liegt darin, sie auf einen engen Raum zu beschränken, erklärt Juanes. Wenn Luft oder Gas in einen großen Flüssigkeitsbehälter freigesetzt wird, erfolgt die Verteilung der Blasen streuend. Wenn das Gas jedoch in eine Flüssigkeit freigesetzt wird, die in einem relativ engen Rohr eingeschlossen ist, erzeugt es einen Strom von Blasen, deren Größe perfekt aufeinander abgestimmt ist und die sich in gleichmäßigen Abständen bilden. Dieses einheitliche und vorhersehbare Verhalten, unabhängig von bestimmten Ausgangsbedingungen, wird als Universalität bezeichnet.
Der Prozess der Tröpfchen- oder Blasenbildung ist sehr ähnlich und beginnt mit einer Dehnung des fließenden Materials (ob Luft oder Wasser) und schließlich einer Verdünnung und Abschnürung des „Halses“, der den Tropfen oder die Blase mit dem fließenden Material verbindet . Diese Abschnürung ermöglicht dann, dass das Tröpfchen oder die Blase in eine Kugelform zusammenfällt. Stellen Sie sich das Blasen von Seifenblasen vor: Wenn Sie durch den Ring blasen, dehnt sich ein Schlauch Seifenfilm nach und nach in einem langen Beutel aus, bevor er abgezogen wird und eine runde Blase bildet, die davonschwebt.
Bewegung einer Mikroblase in der Nähe des Blasenhalses. Die Mikroblase fungiert dabei als Indikator, der die Strömungsrichtung anzeigt.
„Der Vorgang, bei dem ein Tropfen aus einem Wasserhahn tropft, ist bekanntermaßen universell“, sagt Juanes, der eine gemeinsame Anstellung in den Abteilungen Bau- und Umweltingenieurwesen sowie Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften hat. Wenn die tropfende Flüssigkeit eine andere Viskosität oder Oberflächenspannung hat oder die Öffnung des Wasserhahns eine andere Größe hat, „spielt es keine Rolle. Sie können Beziehungen finden, die es Ihnen ermöglichen, eine Master-Kurve oder ein Master-Verhalten zur Beschreibung dieses Prozesses zu bestimmen“, sagt er.
Aber wenn es darum geht, was in gewisser Weise das Gegenteil eines tropfenden Wasserhahns ist – das Einblasen von Luft durch eine Öffnung in einen großen Flüssigkeitstank wie einen Whirlpool –, ist dieser Prozess nicht universell. „Wenn Sie also Unregelmäßigkeiten in der Öffnung haben, oder wenn die Öffnung größer oder kleiner ist, oder wenn Sie mit einer gewissen Pulsation injizieren, führt das alles zu einer anderen Abschnürung der Blasen“, sagt Juanes.
Die neuen Experimente umfassten das Perkolieren von Gas auf viskosen Flüssigkeiten wie Öl. In einem nicht begrenzten Raum ist die Größe der Blasen unvorhersehbar, aber die Situation ändert sich, wenn sie stattdessen in einem Rohr in Flüssigkeit übergehen. Bis zu einem bestimmten Punkt spielen die Größe und Form des Rohrs keine Rolle, ebenso wenig wie die Eigenschaften der Öffnung, durch die das Gas strömt. Stattdessen haben die Blasen, wie die Tropfen aus einem Wasserhahn, eine einheitliche Größe und einen einheitlichen Abstand.
Entwicklung des Entnetzungsrandes und endgültiges Aufbrechen der Blase in einem Kapillarröhrchen. Mit freundlicher Genehmigung der Forscher
Pahlavan sagt: „Unsere Arbeit ist eigentlich eine Geschichte zweier überraschender Beobachtungen; Die erste überraschende Beobachtung erfolgte vor etwa 15 Jahren, als eine andere Gruppe, die die Blasenbildung in großen Flüssigkeitstanks untersuchte, feststellte, dass der Abschnürungsprozess nicht universell ist und von den Details des Versuchsaufbaus abhängt. „Die zweite Überraschung kommt nun in unserer Arbeit, die zeigt, dass der Einschluss der Blase in einem Kapillarröhrchen die Abschnürung unempfindlich gegenüber den Details des Experiments macht und daher universell ist.“
Diese Beobachtung sei „überraschend“, sagt er, denn intuitiv könnte es scheinen, dass Blasen, die sich frei durch die Flüssigkeit bewegen können, von ihren Anfangsbedingungen weniger beeinflusst würden als solche, die eingegrenzt sind. Doch das Gegenteil bewahrheitete sich. Es stellt sich heraus, dass Wechselwirkungen zwischen dem Röhrchen und der sich bildenden Blase eine wichtige Rolle spielen, da eine Kontaktlinie zwischen Luft und Flüssigkeit entlang der Innenseite des Röhrchens verläuft. Dies „löscht effektiv die Erinnerung an das System, an die Details der Anfangsbedingungen und stellt somit die Universalität der Abschnürung einer Blase wieder her“, sagt er.
Während solche Forschungen esoterisch erscheinen mögen, haben ihre Ergebnisse potenzielle Anwendungen in einer Vielzahl praktischer Umgebungen, sagt Pahlavan. „Die kontrollierte Erzeugung von Tropfen und Blasen ist in der Mikrofluidik angesichts vieler Anwendungen sehr wünschenswert. Einige Beispiele sind Tintenstrahldruck, medizinische Bildgebung und die Herstellung von Partikelmaterialien.“
Das neue Verständnis ist auch für einige natürliche Prozesse wichtig. „Bei geophysikalischen Anwendungen sehen wir oft Flüssigkeitsströme in sehr engen und begrenzten Räumen“, sagt er. Diese Wechselwirkungen zwischen den Flüssigkeiten und den umgebenden Körnern werden bei der Analyse solcher Prozesse oft vernachlässigt. Aber das Verhalten solcher geologischen Systeme wird oft durch Prozesse auf der Kornskala bestimmt, was bedeutet, dass die Art der in dieser Arbeit durchgeführten Mikroskalenanalyse hilfreich sein könnte, um selbst solche sehr großen Situationen zu verstehen.
Die Blasenbildung in solchen geologischen Formationen kann je nach Kontext ein Segen oder ein Fluch sein, sagt Juanes, aber in jedem Fall ist es wichtig, es zu verstehen. Bei der Kohlenstoffsequestrierung beispielsweise besteht die Hoffnung darin, das aus Kraftwerksemissionen abgetrennte Kohlendioxid in tiefe Formationen zu pumpen, um zu verhindern, dass das Gas in die Atmosphäre gelangt. In diesem Fall ist die Bildung von Blasen in winzigen Porenräumen im Gestein von Vorteil, da die Blasen dazu neigen, die Strömung zu blockieren und das Gas an seiner Position zu halten, sodass es nicht wieder austreten kann.
Aus dem gleichen Grund kann die Blasenbildung in einer Erdgasquelle jedoch ein Problem darstellen, da sie auch den Fluss blockieren und die Förderung des gewünschten Erdgases verhindern kann. „Es kann im Porenraum immobilisiert werden“, sagt er. „Es würde einen viel größeren Druck erfordern, diese Blase zu bewegen.“
„Das ist eine sehr schöne und sorgfältige Arbeit“, sagt Jens Eggers, Professor für angewandte Mathematik an der Universität Bristol im Vereinigten Königreich, der nicht an dieser Forschung beteiligt war. „Es versteht sich fast von selbst, dass ein großer Teil des Erfolgs dieser Arbeit darauf zurückzuführen ist, dass sie durch sorgfältige und quantitative Experimente untermauert wird.“
Diese Ergebnisse, sagt er, spiegeln die Tatsache wider, dass „Probleme wie die Abschnürung viel komplexer sind als bisher angenommen“. Eggers fügt hinzu: „Natürlich ist das Verständnis dieser Komplexität für Anwendungen von entscheidender Bedeutung, bei denen man nicht die Wahl hat, einen besonders einfachen Teil des Problems auszuwählen, sondern sich allen Komplikationen stellen muss.“
