En universitetsstuderende løste for nylig et spørgsmål, der er forundrede fysikere i over et halvt århundrede: Hvorfor ser gasbobler ud til at sidde fast i smalle lodrette rør? Svaret kan hjælpe med at forklare opførslen af naturlige gasser, der er fanget i porøse klipper.
For mange år siden bemærkede fysikerne, at gasbobler i et tilstrækkeligt smalt rør fyldt med væske ikke bevægede sig. Men det er "et slags paradoks," sagde seniorforfatter John Kolinski, en adjunkt i afdelingen for maskinteknik ved det schweiziske føderale teknologiske institut Lausanne (EPFL).
Det skyldes, at gasboblen er mindre tæt end væsken, der omgiver den, så den skulle stige til toppen af røret (ligesom luftbobler i et glas mousserende vand stiger til toppen). Desuden kommer den eneste modstand mod strømning i en væske, når væsken bevæger sig, men i dette tilfælde står væsken stille.
For at løse sagen om den stædige boble besluttede Kolinski og Wassim Dhaouadi, der var en bacheloringeniørstudent, der arbejdede på Kolinskis laboratorium på det tidspunkt og nu afslutter en kandidatgrad ved ETH Zurich, at undersøge det ved hjælp af en metode kaldet "interferensmikroskopi. " Denne metode er den samme, der bruges af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detektor til at finde gravitationsbølger, sagde Kolinski.
Men i dette tilfælde brugte forskerne et skræddersyet mikroskop, der skinner et lys på prøven og måler intensiteten af det lys, der springer tilbage. Fordi lys springer tilbage forskelligt baseret på hvad det rammer, kan målinger af lyset, der hopper tilbage, hjælpe forskere med at finde ud af, hvor "tykt" et materiale er. På denne måde sonderede de en opdriftende boble fanget i et tyndt rør fyldt med en alkohol kaldet isopropanol. Alkoholen tillader dem at have et "selvrensende eksperiment", hvilket var nødvendigt, fordi resultaterne ville være blevet rodet af enhver form for forurening eller snavs, sagde Kolinski.
Fra en videnskabsmand ved navn Bretherton i 1960'erne undersøgte forskerne dette fænomen teoretisk, men det blev aldrig direkte målt før. Nogle beregninger antydede, at boblen er omgivet af et ekstremt tyndt væskelag, der berører siderne af røret, hvilket langsomt formindskes i størrelse og til sidst forsvinder, sagde Kolinski. Det tynde lag ville skabe modstand mod bobleens bevægelse, når den prøver at rejse sig.
Forskerne observerede faktisk dette meget tynde lag omkring gasboblen og målte det til at være ca. 1 nanometer tykt. Det er det, som slukker boblens bevægelse, som teoretisk arbejde havde forudsagt. Men de fandt også, at væskelaget (som dannes fordi trykket i gasboblen skubber mod rørets vægge) ikke forsvinder, men forbliver snarere på en konstant tykkelse på alle tidspunkter.
Baseret på deres målinger af det tynde væskelag kunne de også beregne dets hastighed. De fandt ud af, at gasboblen slet ikke sidder fast, men snarere bevæger sig "ekstraordinært langsomt" i et tempo, der er usynligt for det blotte øje på grund af modstanden forårsaget af det tynde lag, sagde Kolinski. De fandt imidlertid også, at de ved at opvarme væsken og boblen var i stand til at få det tynde lag til at forsvinde - en ny idé, der kunne være "spændende" at udforske i fremtidig forskning, tilføjede han.
Deres fund kunne hjælpe med at informere jordvidenskabsområdet. "Hver gang du har en gas, der er indesluttet i et porøst medium," såsom naturgas i porøs sten, eller hvis du prøver at gå i den modsatte retning og fange kuldioxid inde i klippen, så har du masser af gasbobler der er i lukkede rum, sagde Kolinski. "Vores observationer er relevante for fysikken i, hvordan disse gasbobler er begrænset."
Men den anden del af spændingen er, at denne undersøgelse viser, at "du kan få folk i alle faser af deres karriere til at yde værdifulde bidrag," sagde Kolinski. Dhaouadi "kørte projektet mod et vellykket resultat," sagde Kolinski.
Resultaterne blev offentliggjort 2. december i tidsskriftet Physical Review Fluids.
