A formação de bolhas de ar em um líquido parece muito semelhante ao seu processo inverso, a formação de gotículas de líquido de, dizer, uma torneira de água pingando. Mas a física envolvida é bem diferente, e embora essas gotículas de água sejam uniformes em seu tamanho e espaçamento, a formação de bolhas é normalmente um processo muito mais aleatório.

Agora, um estudo realizado por pesquisadores do MIT e da Universidade de Princeton mostra que, sob certas condições, bolhas também podem ser persuadidas a formar esferas perfeitamente combinadas como gotículas.

As novas descobertas podem ter implicações para o desenvolvimento de dispositivos microfluídicos para pesquisa biomédica e para a compreensão da forma como o gás natural interage com o petróleo nos pequenos espaços de poros de formações rochosas subterrâneas, dizem os pesquisadores. Os resultados são publicados hoje na revista. PNAS , em um artigo do graduado do MIT Amir Pahlavan Ph.D. '18, Professor Howard Stone de Princeton, Professor de Ensino de Inovação da Escola de Engenharia do MIT Gareth McKinley, e o professor Ruben Juanes do MIT.

A chave para produzir bolhas de tamanho e espaçamento uniformes está em confiná-las em um espaço estreito, Juanes explica. Quando o ar ou gás é liberado em um grande recipiente de líquido, a dispersão das bolhas é dispersa. Quando liberado no líquido que está confinado em um tubo relativamente estreito, Contudo, o gás irá produzir um fluxo de bolhas perfeitamente combinadas em tamanho, e formando em intervalos regulares. Este comportamento uniforme e previsível, independente de condições iniciais específicas, é conhecido como universalidade.

O processo de formação de gotículas ou bolhas é muito semelhante, começando com um alongamento do material que flui (seja ar ou água), e, eventualmente, um afinamento e pinçamento do "pescoço" conectando a gota ou bolha ao material que flui. Essa compressão permite então que a gota ou bolha colapsar em uma forma esférica. Imagem soprando bolhas de sabão:conforme você sopra pelo anel, um tubo de filme de sabão se estende gradualmente para fora em uma bolsa longa antes de se formar uma bolha redonda que flutua para longe.

"O processo de gotejamento de uma gota de uma torneira é conhecido por ser universal, "diz Juanes, que tem nomeação conjunta nos departamentos de Engenharia Civil e Ambiental e de Terra, Ciências Atmosféricas e Planetárias. Se o líquido que goteja tiver uma viscosidade ou tensão superficial diferente, ou se a abertura da torneira for de um tamanho diferente, "não importa. Você pode encontrar relações que permitem determinar uma curva mestre ou um comportamento mestre para descrever esse processo, " ele diz.

Mas quando se trata do que é, num sentido, o processo oposto a uma torneira pingando - a injeção de ar através de uma abertura em um grande tanque de líquido, como uma banheira de hidromassagem - o processo não é universal. “Então se você tem irregularidades no orifício, ou se o orifício for maior ou menor, ou se você injetar com alguma pulsação, tudo isso levará a uma compressão diferente das bolhas, "Juanes diz.

Os novos experimentos envolveram gás percolado em líquidos viscosos, como óleo. Em um espaço não confinado, os tamanhos das bolhas são imprevisíveis, mas a situação muda quando eles borbulham em líquido em um tubo. Até certo ponto, o tamanho e a forma do tubo não importa, nem as características do orifício pelo qual o gás sai. Em vez das bolhas, como as gotas de uma torneira, são uniformemente dimensionados e espaçados.

Pahlavan diz, "Nosso trabalho é realmente um conto de duas observações surpreendentes; a primeira observação surpreendente veio há cerca de 15 anos, quando outro grupo investigando a formação de bolhas em grandes tanques de líquidos observou que o processo de pinch-off é não universal "e depende dos detalhes da configuração experimental." A segunda surpresa agora vem em nosso trabalho, o que mostra que confinar a bolha dentro de um tubo capilar torna a pinça insensível aos detalhes do experimento e, portanto, universal. "

Esta observação é "surpreendente, " ele diz, porque intuitivamente pode parecer que as bolhas capazes de se mover livremente através do líquido seriam menos afetadas por suas condições iniciais do que aquelas que estão confinadas. Mas o oposto acabou sendo verdadeiro. Acontece que as interações entre o tubo e a bolha em formação, à medida que uma linha de contato entre o ar e o líquido avança ao longo do interior do tubo, desempenham um papel importante. Isso "efetivamente apaga a memória do sistema, dos detalhes das condições iniciais, e, portanto, restaura a universalidade ao beliscão de uma bolha, " ele diz.

Embora essa pesquisa possa parecer esotérica, suas descobertas têm aplicações potenciais em uma variedade de configurações práticas, Pahlavan diz. "A geração controlada de gotas e bolhas é muito desejável em microfluídica, com muitas aplicações em mente. Alguns exemplos são a impressão a jato de tinta, imagens médicas, e fazer materiais particulados. "

O novo entendimento também é importante para alguns processos naturais. "Em aplicações geofísicas, frequentemente vemos fluxos de fluidos em espaços muito apertados e confinados, ", diz ele. Essas interações entre os fluidos e os grãos circundantes são frequentemente negligenciadas na análise de tais processos. Mas o comportamento de tais sistemas geológicos é muitas vezes determinado por processos na escala de grãos, o que significa que o tipo de análise em microescala feita neste trabalho pode ser útil para entender até mesmo essas situações de escala muito grande.

A formação de bolhas em tais formações geológicas pode ser uma bênção ou uma maldição, dependendo do contexto, Juanes diz, mas de qualquer maneira é importante entender. Para sequestro de carbono, por exemplo, a esperança é bombear dióxido de carbono, separada das emissões da usina, em formações profundas para evitar que o gás saia para a atmosfera. Nesse caso, a formação de bolhas em pequenos espaços de poros na rocha é uma vantagem, porque as bolhas tendem a bloquear o fluxo e manter o gás ancorado na posição, evitando que ele vaze de volta.

Mas pelo mesmo motivo, a formação de bolhas em um poço de gás natural pode ser um problema, porque também pode bloquear o fluxo, inibindo a capacidade de extrair o gás natural desejado. “Pode ser imobilizado no espaço dos poros, ", diz ele." Seria necessária uma pressão muito maior para ser capaz de mover essa bolha. "