Исследователи обнаружили нетипичное поведение пузырьков воздуха в жидкости. При вертикальном встряхивании они претерпевают деформацию, что приводит к их стремительному перемещению в горизонтальном направлении.
Пузырьки постоянно встречаются в различных жидкостях, например, в газированных напитках и системах кондиционирования. Они находят применение в промышленности, в частности, в системах охлаждения, для очистки воды и в химической промышленности.
Управление движением пузырьков на протяжении длительного времени представляло собой сложную задачу во многих сферах. Недавно ученые разработали метод точного управления пузырьками, основанный на использовании гидродинамической неустойчивости. Исследователи поставили перед собой вопрос: возможно ли, посредством периодического перемещения пузырьков вверх и вниз, добиться их непрерывного движения в одном направлении?
Пузырьки не просто перемещались, они двигались под прямым углом к направлению встряхивания. При встряхивании контейнера вверх и вниз пузырьки начинают неожиданно ритмично «галопировать» — подпрыгивать, как игривые лошади, и двигаться горизонтально, несмотря на вертикальное встряхивание.
Изменяя частоту и амплитуду колебаний, ученым удалось переводить систему в различные режимы движения. Теперь им известно, как обеспечить прямолинейное, круговое и хаотичное зигзагообразное движение, которое имитирует стратегии поиска пищи, используемые бактериями. Объяснение и сопутствующие феномену математические расчеты опубликованы в журнале Nature Communications.
Галопирование» находит применение и в системах охлаждения микрочипов. На Земле пузырьки газа поднимаются от нагретых поверхностей, что позволяет избежать перегрева. Однако в условиях космоса отсутствует плавучесть, и это свойство затрудняет удаление пузырьков, создавая значительную проблему. Новый метод позволяет активно удалять пузырьки в среде без гравитации, что может улучшить теплопередачу в спутниках и космической электронике.
Использование открытой особенности движения пузырьков позволяет осуществлять очистку поверхности. Дальнейшие исследования продемонстрировали, что «галопирующие пузырьки» способны удалять пыль с поверхностей. Их траектория напоминает зигзагообразное движение миниатюрного робота-пылесоса. Исследователи рассчитывают, что возможность контролировать движение пузырьков приведет к разработке инновационных методов очистки и целенаправленной доставки лекарственных средств.
«Новый принцип самодвижения позволяет пузырькам преодолевать значительные расстояния и обладает уникальной способностью перемещаться по сложным жидкостным структурам. Это открывает возможности для решения давних задач в области систем теплопередачи, очистки поверхностей и может послужить источником вдохновения для разработки новых мягких роботизированных устройств», — сказал Сайфул Тамим ( Saiful Tamim), научный сотрудник Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле (США).
Управление движением пузырьков представляет собой непростую задачу, поскольку они встречаются в большинстве жидкостей в различных формах. Возможности инженеров и исследователей по воздействию на их перемещение ограничены. Исследования ученых показывают, что пузырьки можно направлять по предсказуемым траекториям с помощью тщательно настроенных вибраций.
«Это открытие позволяет переосмыслить механизм образования пузырьков, превращая его из непредсказуемого в контролируемый и универсальный процесс, который может найти применение в теплопередаче, микрофлюидике и других технологиях», — объяснил Коннор Магун ( Connor Magoon), аспирант математического факультета Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.