La formazione delle bolle di gas in un liquido può sembrare simile al processo inverso, ovvero la formazione di gocce di liquido da un rubinetto che gocciola. Tuttavia, la fisica coinvolta è molto diversa e, mentre le gocce d'acqua sono uniformi nella loro dimensione e spaziatura, la formazione delle bolle è solitamente un processo molto più casuale. In questo articolo, esploreremo come, sotto determinate condizioni, le bolle possano formarsi come sfere perfettamente abbinati alle gocce. Questa scoperta potrebbe avere implicazioni importanti nello sviluppo di dispositivi microfluidici per la ricerca biomedica e per la comprensione dell'interazione del gas naturale con il petrolio negli strati porosi delle formazioni rocciose sotterranee.
Il segreto delle bolle uniformi
La chiave per ottenere bolle di dimensioni e spaziatura uniformi risiede nel confinarle in uno spazio ristretto. Quando l'aria o il gas viene rilasciato in un grande contenitore di liquido, la dispersione delle bolle è casuale. Tuttavia, quando viene rilasciato in un liquido confinato in un tubo relativamente stretto, il gas produrrà un flusso di bolle perfettamente abbinato in termini di dimensione e intervalli. Questo comportamento uniforme e prevedibile, indipendentemente dalle condizioni iniziali specifiche, è noto come universalità.
Processo di formazione delle bolle
Il processo di formazione di gocce o bolle è molto simile, inizia con l'allungamento del materiale in movimento (sia che si tratti di aria o acqua) e alla fine con un assottigliamento e un distacco del "collo" che collega la goccia o la bolla al materiale in movimento. Questo distacco consente alla goccia o alla bolla di assumere una forma sferica. Immaginate di soffiare bolle di sapone: mentre soffiate attraverso l'anello, una pellicola di sapone si estende gradualmente verso l'esterno formando una bolla rotonda che fluttua via.
Università del processo di formazione delle bolle
"Il processo di gocciolamento di una goccia da un rubinetto è noto per essere universale", afferma il Professor Ruben Juanes, del MIT, che collabora con i ricercatori di Princeton. Indipendentemente dalla viscosità o tensione superficiale del liquido che gocciola o dalle dimensioni dell'apertura del rubinetto, esistono relazioni che consentono di determinare una curva di riferimento o un comportamento principale per descrivere quel processo. Tuttavia, quando si tratta di ciò che è, in un certo senso, il processo opposto a un rubinetto che gocciola, ovvero l'iniezione di aria attraverso un'apertura in un grande serbatoio di liquido come una vasca idromassaggio, il processo non è universale. Irregolarità nel foro di uscita, dimensioni diverse o iniezione con pulsazioni possono portare a un distacco delle bolle differente.
L'influenza del confinamento
Gli esperimenti condotti hanno coinvolto il passaggio di gas su liquidi viscosi come l'olio. In uno spazio non confinato, le dimensioni delle bolle sono imprevedibili, ma la situazione cambia quando le bolle si formano in un tubo. Fino ad un certo punto, la dimensione e la forma del tubo non importano, così come le caratteristiche dell'orifizio da cui passa il gas. Le bolle, come le gocce di un rubinetto, sono uniformemente dimensionate e distanziate.
L'effetto sorprendente del confinamento
L'osservazione più sorprendente è che il confinamento delle bolle all'interno di un tubo capillare rende l'effetto del distacco insensibile ai dettagli dell'esperimento e quindi universale. A prima vista, potrebbe sembrare che le bolle in grado di muoversi liberamente nel liquido siano meno influenzate dalle loro condizioni iniziali rispetto a quelle confinate. Tuttavia, si è scoperto il contrario. Le interazioni tra il tubo e la bolla in formazione, mentre una linea di contatto tra l'aria e il liquido si sposta lungo l'interno del tubo, svolgono un ruolo importante nel processo. Queste interazioni "cancellano efficacemente la memoria del sistema, dei dettagli delle condizioni iniziali e quindi ripristinano l'universalità del distacco di una bolla", spiega il dottor Amir Pahlavan del MIT.
Applicazioni pratiche
Nonostante questa ricerca possa sembrare esoterica, le sue scoperte hanno potenziali applicazioni in diversi contesti pratici. La generazione controllata di gocce e bolle è molto desiderabile in ambito microfluidico, con numerose applicazioni in mente, come la stampa a getto d'inchiostro, l'imaging medico e la produzione di materiali particolati. La comprensione di tali processi complessi è fondamentale per le applicazioni in cui non si può scegliere una parte particolarmente semplice del problema, ma si devono affrontare tutte le complicazioni.
Conclusioni
In sintesi, la formazione delle bolle di gas in un liquido è un processo affascinante e complesso. Le bolle possono essere indotte a formare sfere perfettamente abbinati alle gocce, se confinate in uno spazio ristretto. Questa scoperta ha implicazioni importanti per lo sviluppo di dispositivi microfluidici e per la comprensione dei processi naturali che coinvolgono il gas e il liquido. Speriamo che questo articolo sia stato informativo e ti abbia fornito dettagli preziosi sul tema della formazione delle bolle di gas.