Vysokoškolský student nedávno vyřešil otázku, která je zmatená fyziky po více než půl století: Proč se zdá, že se plynové bubliny uvízly uvnitř úzkých vertikálních trubic? Odpověď může pomoci vysvětlit chování přírodních plynů, které jsou zachyceny v porézních horninách.
Před lety si fyzici všimli, že se bubliny plynu v dostatečně úzké zkumavce naplněné tekutinou nepohybují. Ale to je „druh paradoxu“, řekl vedoucí autor John Kolinski, odborný asistent na katedře mechanického inženýrství ve Švýcarském federálním technologickém institutu Lausanne (EPFL).
Je to proto, že plynová bublina je méně hustá než kapalina, která ji obklopuje, takže by měla stoupat na vrchol trubice (stejně jako vzduchové bubliny ve sklenici šumivé vody stoupají na vrchol). A co víc, jediný odpor proti proudění v kapalině přichází, když se kapalina pohybuje, ale v tomto případě tekutina stojí.
K vyřešení případu tvrdohlavé bubliny se Kolinski a Wassim Dhaouadi, který byl v té době vysokoškolským inženýrským studentem, který pracoval v kolinské laboratoři a nyní dokončuje magisterský titul v ETH v Curychu, se jej rozhodli prozkoumat pomocí metody zvané „interferenční mikroskopie“. " Tato metoda je stejná jako metoda používaná detektorem gravitačního vlnového pozorování LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) pro zjištění gravitačních vln, řekl Kolinski.
V tomto případě však vědci použili mikroskop na zakázku, který na vzorek svítí a měří intenzitu světla, které se odrazí zpět. Vzhledem k tomu, že se světlo odrazí odlišně na základě toho, co zasáhlo, může měření odrazu světla pomoci vědcům zjistit, jak „silný“ je materiál. Tímto způsobem sondovali vznášející se bublinu uvězněnou uvnitř tenké zkumavky naplněné alkoholem zvaným isopropanol. Alkohol jim umožnil provést „samočisticí experiment“, což bylo nezbytné, protože výsledky by byly zmateny jakoukoli kontaminací nebo nečistotami, řekl Kolinski.
Počínaje vědcem jménem Bretherton v šedesátých letech vědci tento jev zkoumali teoreticky, ale nikdy předtím nebyl přímo změřen. Některé výpočty naznačují, že bublina je obklopena extrémně tenkou vrstvou kapaliny dotýkající se stran trubky, která se pomalu zmenšuje a nakonec zmizí, řekl Kolinski. Tenká vrstva by vytvořila odpor vůči pohybu bubliny, když se snaží stoupat.
Vědci skutečně pozorovali tuto velmi tenkou vrstvu kolem plynové bubliny a změřili ji na asi 1 nanometr. To potlačuje pohyb bubliny, jak předpovídala teoretická práce. Zjistili však také, že vrstva kapaliny (která se vytváří, protože tlak v plynové bublině tlačí na stěny trubice) nezmizí, ale spíše zůstává konstantní tloušťkou po celou dobu.
Na základě svých měření tenké vrstvy tekutiny byli také schopni vypočítat její rychlost. Zjistili, že plynová bublina vůbec nepřichází, ale spíše se pohybuje „mimořádně pomalu“, tempem neviditelným pouhým okem kvůli odporu způsobenému tenkou vrstvou, řekl Kolinski. Zjistili však také, že zahřátím kapaliny a bublin dokázali zmizet tenkou vrstvu - nový nápad, který by mohl být „vzrušující“ prozkoumat v budoucím výzkumu, dodal.
Jejich zjištění by mohla pomoci informovat o vědách o Zemi. „Kdykoli máte plyn, který je uzavřen v porézním médiu,“ například zemní plyn v porézní hornině, nebo pokud se snažíte jít opačným směrem a zachytit oxid uhličitý uvnitř horniny, pak máte spoustu bublin plynu, které jsou v řekl Kolinski. "Naše pozorování se týká fyziky toho, jak jsou tyto plynové bubliny uzavřeny."
Druhou částí vzrušení je, že tato studie ukazuje, že „můžete mít lidi ve všech fázích jejich kariéry, aby mohli hodnotně přispívat,“ řekl Kolinski. Dhaouadi „projekt vedl k úspěšnému výsledku,“ řekl Kolinski.
Výsledky byly zveřejněny 2. prosince v časopise Physical Review Fluids.
