Uma foto de capa recente em Ciência retratou uma bolha em pleno colapso, com base em um estudo conduzido por Alexandros T. Oratis et al. A equipe de pesquisa em engenharia mecânica, matemática e engenharia aeroespacial na Universidade de Boston, O MIT e a Universidade de Princeton demonstraram a formação de padrões intrigantes de ondas quando as bolhas entraram em colapso. Usando uma configuração de iluminação complexa e velocidade rápida do obturador no laboratório, perfeitamente alinhado para capturar um momento fugaz, dentro de um segundo, eles fotografaram a pequena bolha emergindo da mídia circundante de óleo de silicone denso.

A ruptura e o colapso de bolhas viscosas são comuns na natureza e em aplicações industriais. O fenômeno é acompanhado por lâminas elásticas que desenvolvem rugas radiais. Embora o peso do filme pareça ter um papel dominante durante o colapso do filme e a instabilidade do enrugamento, nesse trabalho, a gravidade parecia desempenhar um papel surpreendentemente insignificante. Com base na mecânica dos fluidos dos fenômenos, Oratis et al. mostraram que a tensão superficial é o fator determinante durante o colapso para iniciar a instabilidade de flambagem dinâmica e o comportamento de enrugamento, acompanhado com a quebra de filmes viscosos e viscoelásticos curvos. O trabalho de pesquisa é relevante para entender as aplicações industriais e químicas, incluindo a produção de aerossol de eventos de expiração no trato respiratório.

Enrugamento de folhas finas

Compreender a formação de bolhas é importante devido à sua onipresença na natureza e em aplicações industriais, incluindo a coleta de bolhas durante a fabricação de vidro, pintura em spray, eliminação de resíduos radioativos e em erupções vulcânicas. As folhas elásticas podem enrugar sob pressão de compressão, pois requerem menos energia para dobrar do que para comprimir. Em estudos recentes, os pesquisadores se concentraram em compreender as deformações de flexão que ocorrem quando uma folha elástica fina é esticada, cutucado, ou enrolado em um objeto curvo. De forma similar, líquidos viscosos também podem entortar em um processo observado como 'instabilidade de pára-quedas' quando uma bolha ascendente atinge a superfície para se romper. Depois de emergir, uma bolha consiste em uma fina película líquida na forma de uma tampa esférica suportada pelo gás aprisionado em seu interior. As rugas que se desenvolvem durante a ruptura da bolha ocorrem devido ao peso da película fina em colapso para permitir que o gás aprisionado escape. Oratis et al. mostraram que a instabilidade de enrugamento não depende especificamente da gravidade ou da presença de um orifício formado experimentalmente para permitir que o gás aprisionado escape da bolha.

A equipe conduziu experimentos e observou o desenvolvimento de rugas em uma bolha em colapso em um banho de óleo de silício para mostrar como ela era impulsionada pela tensão superficial em vez da gravidade. Para testar a hipótese, eles realizaram um experimento com bolhas viradas de cabeça para baixo, uma abordagem facilitada devido à viscosidade do líquido. Eles conseguiram isso preparando a bolha com o lado direito para cima e girando rapidamente a amostra para rompê-la em alguns segundos. Quando invertido, o filme bolha continuou a manter sua forma e espessura no ápice. Se a gravidade e a viscosidade fossem contribuintes dominantes para o processo, as bolhas invertidas teriam se alongado para baixo, como visto nas simulações. Em vez de, a equipe observou a bolha invertida revertendo contra a força da gravidade, enquanto as rugas se formaram durante os estágios finais do colapso da bolha, proporcionando-lhes uma visão clara do processo.

Para entender a tensão superficial, a força motriz por trás do fenômeno, os cientistas mediram os principais parâmetros característicos da escala de tempo do colapso. Por esta, Oratis et al. usaram óleos de silicone com viscosidades variadas e espessuras de filme variadas durante os experimentos. Usando imagens de alta velocidade, eles calcularam a velocidade representativa no início do enrugamento e aumentaram a viscosidade do óleo de silicone, para desacelerar o colapso. Como esperado, bolhas mais finas colapsaram mais rápido. O modelo derivado neste trabalho mostrou como o número de rugas depende fortemente do tamanho do buraco criado para iniciar o colapso da bolha. Durante as demonstrações experimentais, a equipe eliminou a diferença de pressão em toda a superfície da bolha usando uma configuração acionada por capilar que não quebrou a película fina, como resultado, o orifício criado no processo induziu o colapso da bolha de forma eficiente sem romper o filme.

Os resultados experimentais estavam de acordo com a teoria. A competição entre as tensões de tração e compressão no sistema afetou a localização dos padrões de enrugamento nas chapas. Oratis et al. realizaram experimentos adicionais com estruturas mais espessas usando vidro fundido soprado extraído do forno, onde eles permitiram que o ar preso escapasse pelo tubo de sopro de vidro. Durante o processo, o vidro estourado desabou para adotar a forma de uma ruga. O modelo derivado neste trabalho teve limitações para dados com os filmes mais finos onde o colapso foi tão abrupto que o padrão de enrugamento perdeu sua simetria para abranger toda a bolha. Além disso, o modelo previu que o enrugamento não ocorreria em todas as condições.

Desta maneira, Oratis e colegas mostraram que a tensão superficial, não a gravidade, levou ao colapso de bolhas de superfície viscosas. Eles desenvolveram um sistema de colapso impulsionado por capilares para iniciar a instabilidade de flambagem dinâmica por meio da interação simultânea de inércia, compressão, e ligação viscosa do filme recorrente. O trabalho apresentou lâminas viscosas com instabilidades elásticas durante a compressão rápida. Os resultados também podem explicar a mecânica dos fluidos da exalação de potenciais aerossóis portadores de patógenos que estão ligados à quebra de filmes de bolhas finas no fluido viscoelástico que reveste o trato respiratório. O presente trabalho sugere que a tensão superficial por si só pode causar instabilidade de flambagem durante a ruptura do filme viscoso para que esses filmes dobrem e prendam o ar, proporcionando assim uma visão mais profunda dos mecanismos de aerossolização.

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