Горшок, за которым наблюдают, никогда не закипит, гласит старая поговорка, но многие из нас, по крайней мере, следили за горшком, ожидая, когда начнется бурление. Приятно наконец увидеть бурлящее кипение, за которым стоят сложные физические механизмы.
Когда это происходит, образующиеся пузырьки непрерывно меняют форму и размер. Эти динамические движения влияют на окружающий поток жидкости, тем самым влияя на эффективность передачи тепла от источника тепла к воде.
Манипулирование небольшими объемами жидкости на высоких скоростях и частотах необходимо для обработки большого количества образцов в медицинских и химических областях, например, при сортировке клеток. Вибрации микропузырьков могут создавать потоки и звуковые волны, помогая в манипуляциях с жидкостью. Однако коллективное поведение и взаимодействие множества пузырьков изучены плохо, поэтому их применение ограничено.
Стремясь лучше понять поведение пузырьков, группа исследователей из Киотского университета разработала экспериментальную установку для точной регулировки расстояния между микропузырьками, используя лазерный свет для фототермического нагрева дегазированной воды. Статья опубликована в журнале Small.
«Нам удалось разработать новый метод кардинального изменения потока жидкости путем простой регулировки расположения пузырьков», — говорит первый автор Сюаньвэй Чжан.
Команда успешно создала два пузырька диаметром около 10 микрометров, которые спонтанно вибрируют на частотах ниже мегагерца, исследуя, как их вибрации влияют друг на друга. Используя этот аппарат, исследователи смогли точно контролировать быстрые движения пузырьков на частотах ниже мегагерца, а также окружающий поток.
Сравнив результаты с теоретическими уравнениями, команда обнаружила, что давление, создаваемое вибрацией каждого пузырька, отвечает за взаимодействие между пузырьками. Они обнаружили, что соседние пузырьки синхронизируют свои вибрации, и что изменение расстояния между пузырьками всего на 10 микрометров изменяет частоту их колебаний более чем на 50%.
«Мы не ожидали наблюдать такую четкую вибрационную связь между двумя колеблющимися пузырьками, но вибрации пузырьков, которые мы генерировали, были очень стабильными с течением времени и высоко воспроизводимыми», — говорит автор-корреспондент Киоко Намура. Эти характеристики позволили команде зафиксировать изменения в вибрациях двух пузырьков, когда их относительные положения были даже немного скорректированы.
Результаты этого исследования предоставляют новый инструмент контроля жидкости для медицинской и химической областей, где более быстрый анализ и сбор данных являются незаменимыми. Хотя исследовательская группа использовала дегазированную воду, аналогичные эффекты могут быть достигнуты с помощью водно-спиртовых смесей, что делает этот метод применимым для широкого спектра приложений.
В будущем команда планирует изучить способы активного выбора частот и режимов вибрации пузырьков, управления более крупными массивами пузырьков и анализа звуковых волн и потоков, генерируемых вокруг них.
