Um grupo de pesquisadores do Laboratório Estadual de Fluidos e Sistemas Mecatrônicos da Universidade de Zhejiang, em Hangzhou, China, descobriu recentemente que um novo mecanismo de borbulhamento pode existir no reino da física.

Eles fizeram essa descoberta surpreendente enquanto estudavam o fenômeno de borbulhamento em jatos submersos de gás-líquido em microcanais. O fenômeno ocorreu em uma máquina de litografia de imersão que eles desenvolveram, causando vibrações que prejudicavam a qualidade da exposição.

Como eles relatam esta semana no jornal Física dos Fluidos , o grupo notou que esse borbulhamento possuía propriedades únicas em comparação com o borbulhamento gerado pelo mecanismo de sopro de gás monofásico. Eles descrevem mudanças nas características de borbulhamento periódicas e aperiódicas, bem como fenômenos especiais de bifurcação e rotação, que não foram observados e relatados anteriormente.

"Percebemos que pode existir um novo tipo de mecanismo de borbulhamento, porque o desprendimento da bolha do bocal com o qual estávamos lidando foi impulsionado não apenas pelo 'efeito de elevação' da flutuabilidade, mas mais significativamente pelo 'efeito de empurrar' da seguinte lesma de líquido chegando ao bocal, "disse Liang Hu, um professor associado que trabalha no State Key Lab.

Isso explica as características de vibração encontradas na máquina de litografia por imersão e também pode ter implicações para outras áreas da física, como aumento de massa ou transferência de calor e controle de movimento de bolha.

A descoberta marca um avanço significativo porque os cientistas vêm explorando o "borbulhar" há muitos anos, tentando determinar como as bolhas se destacam dos bicos e sobem dentro dos fluidos.

"No sentido usual, as bolhas se desprendem do bico uma por uma, impulsionado pela flutuabilidade, e subir verticalmente em uma única corrente, "Hu disse." Nosso trabalho no novo tipo de borbulhamento revelou um novo mecanismo de destacamento de bolhas - descobrimos uma situação surpreendente em que as bolhas subiam ao longo de duas cadeias de orientação diferente. "

Para o estudo do grupo, o borbulhamento periódico foi gerado pelo fluxo de Taylor no canal - que envolve bolhas de gás de igual comprimento, chamado de "lesmas, "separados por pedaços de líquido de igual comprimento - sendo injetados na água.

"Nesta situação, o destacamento da bolha não foi induzido principalmente pela flutuabilidade, "Hu disse." Em vez disso, cada bolha foi forçada a se desprender quando uma lesma de líquido chegou ao bocal e destruiu a ação capilar na linha de contato trifásica gás-líquido-sólido que ligava a bolha ao bocal. "

Falando figurativamente, o desprendimento da bolha foi "causado pela lesma de líquido 'empurrando' a bolha para longe do bico, "Hu disse." A diferença do ângulo de contato fez a bolha se desprender 'por sua vez' de um lado para o outro, por exemplo. da esquerda para a direita, resultando na inclinação da base da bolha da esquerda superior para a direita inferior. Em seguida, a bolha sucessiva interagiu com esta bolha em sua base inclinada, e empurrou-o para subir em direção ao canto superior direito. "

Avançar, esta ação causou uma diferença de ângulo de contato oposto na bolha sucessiva, que se destacou por sua vez da direita para a esquerda e finalmente subiu em direção ao canto superior esquerdo após interagir com a bolha seguinte.

"Como resultado, bolhas individuais não subiram verticalmente, mas em vez disso, subiram em direção a uma orientação diferente em relação à bolha anterior, que é conhecido como bifurcação de bolha, "Hu disse.

Em outras palavras, "[A diferença do ângulo de contato] foi constantemente passada de uma bolha para sua bolha sucessiva pela interação da bolha, que fez as bolhas se bifurcarem em dois ramos de forma espontânea e estável, obedecendo à conservação do momento, "Disse Hu." Enquanto as condições de entrada permanecerem inalteradas, o par de ramos da bolha bifurcada continuamente transporta bolhas que aumentam rapidamente e sempre mantém o mesmo ângulo de bifurcação, mesmo quando os ramos giram simultaneamente. Parece uma dança de grupo de bolhas linda e precisa. "

Como você pode imaginar, o trabalho do grupo tem aplicações de longo alcance. A formação de bolhas em jatos submersos é amplamente utilizada para aplicações industriais, como trocadores de calor, aeração artificial e fabricação de aço pneumática, para nomear alguns.

Já que o borbulhar era a principal fonte de vibração dentro da máquina de litografia de imersão do grupo, que prejudica a qualidade da exposição, eles "agora procurarão confinar o borbulhar ao regime periódico para facilitar o isolamento de vibração ativa, "Hu disse.

Injetando misturas de gás-líquido, outro aplicativo, tem sido usado para melhorar a transferência de calor e massa através da produção de pequenas bolhas e é considerado uma alternativa ao sopro de gás com meios porosos.

"Mas a maioria dos pesquisadores opta por usar um macrotubo para produzir jatos densos de bolhas, "Disse Hu." Portanto, acreditamos que substituir estes por um monte de microtubos que produzem bolhas periódicas pode ser uma escolha melhor para obter várias bolhas, não apenas menor, mas também controlável em tamanho. "

Controle de movimento da bolha, ainda outro aplicativo, é necessário para a fabricação de novos materiais, bem como para melhorar as propriedades de transferência de colunas de bolha, de acordo com Hu.

"Podemos fornecer uma nova abordagem para o controle de movimento da bolha, realizando o controle preciso do tamanho da bolha e do ângulo de bifurcação simultaneamente, "Hu disse." Este pode ser um método mais eficiente e confiável para controlar diretamente a dinâmica de borbulhamento original do que os campos magnéticos ou acústicos externos comumente usados ​​hoje. "

"A beleza e a complexidade do fenômeno da bifurcação das bolhas são fascinantes para nós, particularmente para três aspectos do trabalho futuro, "Hu disse quando questionado sobre o que o grupo espera trabalhar em seguida." para obter uma gama mais ampla de ângulos de bifurcação:imagine dois ramos de bolha agindo como um par de braços ondulantes. Segundo, para cumprir o processo de bifurcação com microbolhas. E terceiro, ocasionalmente observado, mas mal compreendido, as bolhas podem se bifurcar em um ramo de bolhas maiores e um ramo de bolhas menores. Vamos explorar tudo. "