La formación de burbujas de aire en un líquido parece muy similar a su proceso inverso, la formación de gotas de líquido de, decir, un grifo de agua que gotea. Pero la física involucrada es bastante diferente, y aunque esas gotas de agua son uniformes en su tamaño y espaciado, 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, en determinadas condiciones, las burbujas también pueden ser persuadidas para que formen esferas tan perfectamente emparejadas como gotas.

Los nuevos hallazgos podrían tener implicaciones para el desarrollo de dispositivos de microfluidos para la investigación biomédica y para comprender la forma en que el gas natural interactúa con el petróleo en los diminutos espacios porosos de las formaciones rocosas subterráneas. dicen los investigadores. Los hallazgos se publican hoy en la revista. PNAS , en un artículo del graduado del MIT Amir Pahlavan Ph.D. '18, Profesor Howard Stone de Princeton, Profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería del MIT Gareth McKinley, y el profesor del MIT Rubén Juanes.

La clave para producir burbujas de tamaño uniforme y espaciadas radica en confinarlas a un espacio estrecho, Explica Juanes. Cuando se libera aire o gas en un recipiente grande de líquido, la dispersión de burbujas se dispersa. Cuando se libera en un líquido confinado en un tubo relativamente estrecho, sin embargo, el gas producirá una corriente de burbujas de tamaño perfectamente adaptado, y formando a intervalos uniformes. Este comportamiento uniforme y predecible, independiente de las condiciones de partida específicas, se conoce como universalidad.

El proceso de formación de gotitas o burbujas es muy similar, comenzando con un alargamiento del material que fluye (ya sea aire o agua), y eventualmente un adelgazamiento y pellizco del "cuello" que conecta la gota o burbuja al material que fluye. Ese pellizco luego permite que la gota o burbuja colapse en una forma esférica. Imagen soplando pompas de jabón:mientras soplas a través del anillo, un tubo de película de jabón se extiende gradualmente hacia afuera en una bolsa larga antes de pellizcarse para formar una burbuja redonda que se aleja flotando.

"Se sabe que el proceso de una gota que gotea de un grifo es universal, "dice Juanes, quien tiene un nombramiento conjunto en los departamentos de Ingeniería Civil y Ambiental y Tierras, Ciencias Atmosféricas y Planetarias. Si el líquido que gotea tiene una viscosidad o tensión superficial diferente, o si la apertura del grifo es de otro tamaño, "no importa. Puede encontrar relaciones que le permitan determinar una curva maestra o un comportamiento maestro para describir ese proceso, " él dice.

Pero cuando se trata de lo que es, en un sentido, el proceso opuesto a un grifo que gotea — la inyección de aire a través de una abertura en un tanque grande de líquido como una bañera de hidromasaje — el proceso no es universal. "Entonces, si tiene irregularidades en el orificio, o si el orificio es mayor o menor, o si se inyecta con alguna pulsación, todo eso dará lugar a un pellizco diferente de las burbujas, "Dice Juanes.

Los nuevos experimentos involucraron la filtración de gas en líquidos viscosos como el aceite. En un espacio ilimitado los tamaños de las burbujas son impredecibles, pero la situación cambia cuando, en cambio, se convierten en líquido en un tubo. Hasta cierto punto el tamaño y la forma del tubo no importa, tampoco las características del orificio por el que pasa el gas. En lugar de las burbujas, como las gotitas de un grifo, tienen un tamaño uniforme y están espaciados.

Pahlavan dice:"Nuestro trabajo es realmente una historia de dos observaciones sorprendentes; la primera observación sorprendente se produjo hace unos 15 años, cuando otro grupo que investigaba la formación de burbujas en grandes tanques de líquido observó que el proceso de pellizco no es universal "y depende de los detalles de la configuración experimental". La segunda sorpresa viene ahora en nuestro trabajo, lo 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, " él dice, porque intuitivamente podría parecer que las burbujas capaces de moverse libremente por el líquido se verían menos afectadas por sus condiciones iniciales que las que están encerradas. Pero resultó ser todo lo contrario. Resulta que las interacciones entre el tubo y la burbuja en formación, a medida que avanza una línea de contacto entre el aire y el líquido a lo largo del interior del tubo, Juega un papel importante. Esto "borra efectivamente la memoria del sistema, de los detalles de las condiciones iniciales, y por lo tanto restaura la universalidad al pellizco de una burbuja, " él dice.

Si bien tal investigación puede parecer esotérica, sus hallazgos tienen aplicaciones potenciales en una variedad de entornos prácticos, Dice Pahlavan. "La generación controlada de gotas y burbujas es muy deseable en microfluídica, con muchas aplicaciones en mente. Algunos ejemplos son la impresión por inyección de tinta, imagenes medicas, y fabricación de materiales particulados ".

La nueva comprensión también es importante para algunos procesos naturales. "En aplicaciones geofísicas, a menudo vemos fluidos fluidos en espacios muy estrechos y confinados, ", dice. Estas interacciones entre los fluidos y los 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 microescala realizado en este trabajo podría ser útil para comprender incluso situaciones a gran escala.

La formación de burbujas en tales formaciones geológicas puede ser una bendición o una maldición, dependiendo del contexto, Juanes dice, pero de cualquier manera es importante entenderlo. Para el secuestro de carbono, por ejemplo, la esperanza es bombear dióxido de carbono, separados de las emisiones de las centrales eléctricas, en formaciones profundas para evitar que el gas salga a la atmósfera. En este caso, la formación de burbujas en pequeños espacios porosos en la roca es una ventaja, porque las burbujas tienden a bloquear el flujo y mantienen el gas anclado en su posición, evitando que se filtre hacia afuera.

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. "Se puede inmovilizar en el espacio de los poros, ", dice." Se necesitaría una presión mucho mayor para poder mover esa burbuja ".