Yliopisto-opiskelija ratkaisi äskettäin yli puolen vuosisadan ajan hämmentyneen fyysikon kysymyksen: Miksi kaasukuplat näyttävät juuttuvan kapeiden pystysuorien putkien sisään? Vastaus voi auttaa selittämään huokoisiin kiviin jääneiden luonnonkaasujen käyttäytymistä.
Fyysikot huomasivat vuosia sitten, että kaasukuplat riittävän kapeassa nesteellä täytetyssä putkessa eivät liikkuneet. Mutta se on "eräänlainen paradoksi", sanoi vanhempi kirjailija John Kolinski, apulaisprofessori konepajateollisuuden laitokselle Sveitsin liittovaltion teknisessä laitoksessa Lausanne (EPFL).
Tämä johtuu siitä, että kaasukupla on vähemmän tiheä kuin sitä ympäröivä neste, joten sen tulisi nousta putken yläosaan (samalla tavalla kuin kuohuviinin lasillisessa ilmakuplat nousevat yläosaan). Lisäksi nesteen ainoa virtausvastus syntyy, kun neste liikkuu, mutta tässä tapauksessa neste seisoo paikallaan.
Kolinski ja Wassim Dhaouadi, jotka olivat tuolloin Kolinskin laboratoriossa työskenteleviä ja nyt valmistuneita maisterin tutkintoa ETH Zürichissä, päättivät koettaa sen itsepäisen kuplan tapauksen suhteen, käyttämällä nimeltään "interferenssimikroskopia" -menetelmää. " Tämä menetelmä on sama, jota käytetään LIGO-detektorilla laserinterferometrillä gravitaatioaaltojen löytämiseen, Kolinski sanoi.
Mutta tässä tapauksessa tutkijat käyttivät räätälöityä mikroskooppia, joka loistaa valon näytteelle ja mittaa takaisin palavan valon voimakkuuden. Koska valo palaa takaisin eri tavalla sen mukaan, mitä se osuu, takaisin palaavan valon mittaukset voivat auttaa tutkijoita selvittämään, kuinka "paksu" materiaali on. Tällä tavalla ne koettivat kelluvan kuplan, joka oli juuttunut ohuen putken sisälle, joka oli täynnä isopropanolia kutsuttua alkoholia. Alkoholi antoi heille mahdollisuuden suorittaa "itsepuhdistuva kokeilu", joka oli välttämätön, koska tulokset olisivat sekoittaneet kaikenlainen saastuminen tai lika, Kolinski sanoi.
Tutkijat aloittivat 1960-luvulla Bretherton-nimisen tutkijan kanssa tätä ilmiötä teoreettisesti, mutta sitä ei koskaan mitattu suoraan aikaisemmin. Jotkut laskelmat ehdottivat, että kuplia ympäröi putken sivuja koskettava erittäin ohut nestekerros, jonka koko pienenee hitaasti ja lopulta katoaa, Kolinski sanoi. Tuo ohut kerros tekisi vastustusta kuplan liikkeelle, kun se yrittää nousta.
Tutkijat todellakin havaitsivat tämän hyvin ohuen kerroksen kaasukuplan ympärillä ja mittasivat sen olevan noin 1 nanometrin paksuinen. Se pysäyttää kuplan liikkeen, kuten teoreettinen työ oli ennustanut. Mutta he havaitsivat myös, että nestekerros (joka muodostuu, koska paine kaasukuplissa työntyy putken seinämiä vasten) ei katoa, vaan pysyy pikemminkin vakiona paksuudella koko ajan.
Ohuen nestekerroksen mittausten perusteella he myös pystyivät laskemaan sen nopeuden. He havaitsivat, että kaasukupla ei ole juuttunut lainkaan, vaan liikkuu pikemminkin "poikkeuksellisen hitaasti" paljaalle silmälle näkymättömässä tahdissa ohutkerroksen aiheuttaman vastustuksen takia, Kolinski sanoi. He kuitenkin havaitsivat myös, että nestettä ja kuplia kuumentamalla he pystyivät saamaan ohuen kerroksen katoamaan - uusi idea, jota voisi olla "jännittävää" tutkia tulevassa tutkimuksessa, hän lisäsi.
Heidän löytönsä voisivat auttaa informaatiota maantieteiden kentästä. "Aina kun kaasua, joka on rajoitettu huokoiseen väliaineeseen", kuten huokoisessa kivissä olevaa maakaasua tai jos yrität mennä vastakkaiseen suuntaan ja vangita hiilidioksidia kiven sisällä, niin sinulla on paljon kaasukuplia, jotka ovat ahtaissa tiloissa, Kolinski sanoi. "Huomautuksemme ovat merkityksellisiä fysiikan kannalta, kuinka nämä kaasukuplat rajoitetaan."
Mutta toinen osa jännitystä on, että tämä tutkimus osoittaa, että "sinulla voi olla ihmisiä kaikissa uransa vaiheissa antamaan arvokasta apua", Kolinski sanoi. Dhaouadi "veti hanketta kohti menestyvää lopputulosta", Kolinski sanoi.
Tulokset julkaistiin 2. joulukuuta lehdessä Physical Review Fluids.
