Microbubbeltdynamiek in kokend water maakt een precisievloeistofmanipulatie mogelijk

Een bekeken pot kookt nooit, gaat het oude gezegde, maar velen van ons hebben de pot op zijn minst in de gaten gehouden, wachtend op het borrelen. Het is bevredigend om eindelijk de rollende kook te zien, waarachter complexe fysieke mechanismen spelen.

Wanneer dit gebeurt, veranderen de bubbels die continu in vorm en grootte veranderen. Deze dynamische bewegingen beïnvloeden de omringende vloeistofstroom, waardoor de efficiëntie van warmteoverdracht van de warmtebron naar het water wordt beïnvloed.

Het manipuleren van kleine hoeveelheden vloeistoffen bij hoge snelheden en frequenties is essentieel voor het verwerken van grote aantallen monsters in medische en chemische velden, zoals bij celsorten. Microbubbuble trillingen kunnen stromen en geluidsgolven creëren, helpen bij vloeibare manipulatie. Het collectieve gedrag en de interacties van meerdere bubbels zijn echter slecht begrepen, dus hun toepassingen zijn beperkt.

Gemotiveerd om bubbelgedrag beter te begrijpen, heeft een team van onderzoekers van de Kyoto University een experimentele opstelling ontwikkeld om de afstand tussen microbellen nauwkeurig aan te passen, waardoor laserlicht wordt gebruikt om water met fotothermaal te verwarmen. Het papier is gepubliceerd in het dagboek Klein.

“We waren in staat om een ​​nieuwe methode vast te stellen om de vloeibare stroom fundamenteel te veranderen door eenvoudig de rangschikking van bubbels aan te passen”, zegt eerste auteur Xuanwei Zhang.

Het team genereerde met succes twee bubbels met een diameter van ongeveer 10 micrometer die spontaan trillen bij sub-megahertz-frequenties en onderzocht hoe hun trillingen elkaar beïnvloeden. Met behulp van dit apparaat konden de onderzoekers de snelle bewegingen van bubbels precies regelen op sub-megaHertz-frequenties en de omliggende stroom.

Na het vergelijken van de resultaten met theoretische vergelijkingen, ontdekte het team dat de druk die door de trilling van elke bel gegenereerd is, de interacties tussen bubbels verklaart. Ze ontdekten dat naburige bubbels hun trillingen synchroniseren, en dat het veranderen van de afstand tussen bubbels met slechts 10 micrometer hun trillingsfrequentie met meer dan 50%veranderde.

“We hadden niet verwacht dat we dergelijke duidelijke trillingskoppeling tussen twee oscillerende bubbels zouden waarnemen, maar de trillingen van de bubbels die we genereerden waren zeer stabiel in de loop van de tijd en zeer reproduceerbaar”, zegt de overeenkomstige auteur Kyoko Namura. Met deze kenmerken kon het team veranderingen in de trillingen van de twee bubbels vastleggen wanneer hun relatieve posities zelfs enigszins werden aangepast.

De resultaten van deze studie bieden een nieuw tool voor vloeistofbeheersing voor de medische en chemische velden, waar snellere analyse en gegevensverzameling onmisbaar zijn. Hoewel het onderzoeksteam gedegasseerd water gebruikte, kunnen vergelijkbare effecten worden bereikt met water-alcoholmengsels, waardoor deze methode van toepassing is op een breed scala aan toepassingen.

In de toekomst is het team van plan manieren te verkennen om Bubble Vibration -frequenties en -modi actief te selecteren, grotere arrays bubbels te besturen en de geluidsgolven en stromen eromheen te analyseren.