Un grupo de investigadores del Laboratorio Estatal Clave de Sistemas Mecatrónicos y Energía de Fluidos de la Universidad de Zhejiang, en Hangzhou, Porcelana, descubrió recientemente que puede existir un nuevo mecanismo de burbujeo dentro del ámbito de la física.

Hicieron este sorprendente hallazgo mientras estudiaban los fenómenos de burbujeo en chorros de gas-líquido sumergidos en microcanales. El fenómeno ocurrió en una máquina de litografía de inmersión que habían desarrollado, provocando vibraciones que dañaban la calidad de la exposición.

Como informan esta semana en la revista Física de fluidos , el grupo notó que este burbujeo poseía propiedades únicas en comparación con el burbujeo generado por el mecanismo de soplado de gas de una sola fase. Describen cambios en las características de burbujeo tanto periódicos como aperiódicos, así como fenómenos especiales de bifurcación y rotación, que no se han observado ni informado previamente.

"Nos dimos cuenta de que puede existir un nuevo tipo de mecanismo de burbujeo, porque el desprendimiento de la burbuja de la boquilla con la que estábamos tratando fue impulsado no solo por el 'efecto de elevación' de la flotabilidad, pero más significativamente por el 'efecto de empuje' de la siguiente babosa líquida que llega a la boquilla, "dijo Liang Hu, un profesor asociado que trabaja en el State Key Lab.

Esto explica las características de vibración que se encuentran en la máquina de litografía de inmersión y también puede tener implicaciones para otras áreas dentro de la física, como la mejora de la transferencia de masa o calor y el control del movimiento de las burbujas.

El descubrimiento marca un avance significativo porque los científicos han estado explorando el "burbujeo" durante muchos años, tratando de determinar cómo las burbujas se desprenden de las boquillas y se elevan dentro de los fluidos.

"En el sentido habitual, las burbujas se desprenden de la boquilla una a una, impulsado por la flotabilidad, y se elevan verticalmente en una sola cadena, ", Dijo Hu." Nuestro trabajo en el nuevo tipo de burbujeo reveló un nuevo mecanismo de desprendimiento de burbujas:descubrimos una situación sorprendente en la que las burbujas se elevaban a lo largo de dos cadenas orientadas de manera diferente ".

Para el estudio del grupo, El burbujeo periódico se generó por el flujo de Taylor en el canal, que involucra burbujas de gas de igual longitud, llamado "babosas, "separados por babosas líquidas de igual longitud, que se inyectan en el agua.

"En esta situación, El desprendimiento de burbujas no fue inducido principalmente por la flotabilidad, "Hu dijo". En cambio, cada burbuja se vio obligada a desprenderse cuando una babosa líquida llegó a la boquilla y destruyó la acción capilar en la línea de contacto de tres fases gas-líquido-sólido que unía la burbuja a la boquilla ".

Hablando en sentido figurado, El desprendimiento de la burbuja fue "causado por la babosa líquida que 'empujó' la burbuja lejos de la boquilla, "Hu dijo." La diferencia del ángulo de contacto hizo que la burbuja se separara 'a su vez' de un lado al otro, p.ej. de izquierda a derecha, resultando en la base de la burbuja que se inclina desde la parte superior izquierda hacia la parte inferior derecha. Luego, la burbuja sucesiva interactuó con esta burbuja en su base inclinada, y lo empujó para que se eleve hacia la parte superior derecha ".

Más lejos, esta acción provocó una diferencia de ángulo de contacto opuesto en la burbuja sucesiva, que se desprendió a su vez de derecha a izquierda y finalmente se elevó hacia la parte superior izquierda después de interactuar con la siguiente burbuja.

"Como resultado, las burbujas individuales no se elevaron verticalmente, sino que se elevaron hacia una orientación diferente con respecto a su burbuja anterior, que se conoce como bifurcación de burbujas, "Dijo Hu.

En otras palabras, "[La diferencia del ángulo de contacto] pasó constantemente de una burbuja a su burbuja sucesiva mediante la interacción de la burbuja, que hizo que las burbujas se bifurcaran en dos ramas de forma espontánea y estable obedeciendo a la conservación del impulso, ", Dijo Hu." Mientras las condiciones de entrada permanezcan sin cambios, el par de ramas de burbujas que se bifurcan transporta continuamente burbujas que crecen rápidamente y siempre mantiene el mismo ángulo de bifurcación, incluso cuando las ramas giran simultáneamente. Parece un baile de grupo de burbujas hermoso y preciso ".

Como puedes imaginar, El trabajo del grupo tiene aplicaciones de amplio alcance. La formación de burbujas en chorros sumergidos se usa ampliamente para aplicaciones industriales como intercambiadores de calor, aireación artificial y siderurgia neumática, para nombrar unos pocos.

Dado que el burbujeo era una fuente importante de vibración dentro de la máquina de litografía de inmersión del grupo, que daña la calidad de la exposición, "ahora buscarán confinar el burbujeo al régimen periódico para facilitar el aislamiento de la vibración activa, "Dijo Hu.

Inyección de mezclas gas-líquido, otra aplicación, se ha utilizado para mejorar la transferencia de calor y masa mediante la producción de pequeñas burbujas y se considera una alternativa al soplado de gas con medios porosos.

"Pero la mayoría de los investigadores optan por utilizar un macrotubo para producir chorros burbujeantes densos, "Hu dijo." Así que creemos que reemplazar estos con un montón de microtubos que producen burbujeo periódico puede ser una mejor opción para obtener numerosas burbujas, no sólo más pequeño sino también controlable en tamaño ".

Control de movimiento de burbujas, otra aplicación más, es necesario para fabricar nuevos materiales, así como para mejorar las propiedades de transferencia de las columnas de burbujas, según Hu.

"Podemos proporcionar un nuevo enfoque para el control del movimiento de las burbujas al realizar un control preciso del tamaño de la burbuja y el ángulo de bifurcación simultáneamente, Hu dijo. "Este puede ser un método más eficiente y confiable para controlar directamente la dinámica de burbujeo original que los campos magnéticos o acústicos externos comúnmente utilizados en la actualidad".

"La belleza y complejidad del fenómeno de la bifurcación de burbujas nos fascina, particularmente para tres aspectos del trabajo futuro, "Hu dijo cuando se le preguntó en qué espera trabajar el grupo a continuación". Primero, para obtener una gama más amplia de ángulos de bifurcación:imagine dos ramas de burbujas que actúan como un par de brazos que se mueven libremente. Segundo, para cumplir con el proceso de bifurcación con microburbujas. Y tercero, ocasionalmente observado pero poco entendido, las burbujas pueden bifurcarse en una rama de burbujas más grandes y una rama de burbujas más pequeñas. Lo exploraremos todo ".