Китайські фізики знайшли спосіб подовжити життя антибульбашкам — бульбашкам, у яких не стінки з рідини захищають повітря всередині, а навпаки, тонкий шар повітря захищає краплю від лускання. Створені вченими антибульбашки не луснули за понад як 13 годин, а допомогли їм у цьому вібрації та ковдра зі звичайних бульбашок. Як потрясіння вберегли антибульбашки, експериментатори описали у статті, опублікованій у Physical Review Fluids.
Антибульбашки під ковдрою з бульбашок. W. Wang et al. / Physical Review Fluids, 2022
Як надути антибульбашку?
Антибульбашки, як свідчить їхня назва, є протилежністю звичним мильним бульбашкам, хоча вони і мають спільні риси. Це незвичайна структура, де крапля рідини оточена тонкою повітряною плівкою, яка захищає цю краплю від лускання і відділяє її від рідини навколо. Найпростіший спосіб надути антибульбашку — це влити у мильну воду краплі такої самої мильної води. Так замість змішатися, під час удару рідин утворюється той самий повітряний бар'єр, який їх розділяє.
Антибульбашка з мильної води, яка утворилася через потрапляння у рідину того самого типу. Фото взяте з експерименту Вілфрида Зура (Wilfried Suhr), який додав коментар, що «з практикою більша частина спроб утворити антибульбашки таким способом з соломинкою буде успішною». Wilfried Suhr, European Journal of Physics, 2012
Це і відкриває для антибульбашок широкий шлях до найрізноманітніших застосувань від медицини до хімічної промисловості. Адже завдяки антибульбашкам дві різні речовини розділяє лише тонкий шар повітря, який на вимогу можна прибрати і так контролювати змішування різних компонентів.
Втім, саме проблема лускання досі відділяє антибульбашки від активного використання, адже поки вони лускають вже за хвилину після появи. Подовження життя антибульбашок стало темою роботи фізиків з Чжецзянського університету спільно з бельгійськими колегами з Льєзького університету.
Чому вони лускають?
Однією з принципових відмінностей між бульбашками і антибульбашками є також і стабільність бар'єра, який захищає їх від лускання. Звичайна мильна бульбашка здатна протриматися дуже довгий час, якщо відтермінувати випаровування її рідинної плівки та захистити її від пилу і вібрацій. Тоді вона лишатиметься стабільної товщини та врівноважить сили тяжіння і поверхневого натягу. Однак все це не стосується антибульбашок. Їхнє слабке місце — це товщина цієї повітряної оболонки, яка під час стікання рідини під дією гідростатичного тиску тоншає, і цей час визначає і час життя самої антибульбашки. Тобто повітря виштовхується вгору, повітряний шар тоншає і на критичній товщині лускає.
Час життя антибульбашок можна змінювати, змінюючи властивості рідини, як-то в'язкість, модуль поверхні (surface modulus), концентрацію повітря. Наприклад, фізики випробовували гідрофобні частинки, які допомагали втримати цей бар'єр повітря-рідина у бульбашці. Однак найпривабливішим вважається механічний вплив на антибульбашки, який міг би стабілізувати їх і забезпечити рівномірний розподіл повітряного шару. Вертикальні коливання можуть подовжити час життя повітряній оболонці, перерозподіляючи повітря по всій поверхні бульбашки. До цього методу і звернулися у своїй роботі фізики, створивши антибульбашку, яка прожила 13 годин.
Як вчені захистили бульбашки?
Свої антибульбашки вчені створювали з розчину гліцерину з ПАР і Triton X-100 в'язкістю в 3 міліпаскаля-секунди і поверхневим натягом у 30 міліньютонів на метр. Краплі розчину для утворення антибульбашок вкидали у покритий мильною плівкою контейнер з оргскла, який прикріпили до шейкера. Він трусив бульбашки за синусоїдальним законом з частотою від 30 до 60 герців, однак фізики не помітили жодних натяків на продовження часу життя бульбашок, який до того ж скорочувався зі збільшенням прискорення.
Антибульбашка «бігає» по контейнеру з рідиною. W. Wang et al. / Physical Review Fluids, 2022
З'ясувалося, причиною цьому були створювані на поверхні рідини в контейнері хвилі Фарадея, які погіршували стійкість антибульбашок та до того ж змушували їх «бігати» по контейнеру доти, поки вони не зіткнуться з його стінками і не луснуть. Щоб запобігти цьому, вчені вирішили покрити поверхню рідини шаром звичайних мильних бульбашок, які, як з'ясувалося пізніше, не лише гасили хвилі Фарадея, а і полегшували створення антибульбашок та не давали їм можливості рухатися у рідині вбік — лише вниз і вгору за вібрацією. Вертикальні коливання гальмують односпрямований потік повітря в повітряній плівці вгору та стабілізують антибульбашки.
У підсумку, завдяки ковдрі з мильних бульбашок і шейкеру, максимальний спостережуваний час життя антибульбашок виріс до 13 годин. Як тільки вібрація припиняється, антибульбашка відразу лускається.
Чому антибульбашка все одно луснула?
Якщо антибульбашки трусити, то вони торкатимуться шару зі звичайних бульбашок та періодично, згідно з вібраціями, піддаватимуться тиску, що і дасть змогу перетягнути повітря з верхівки до низу антибульбашки. Створена теоретична модель цього явища зійшлася з результатами експериментів, передбачаючи певний поріг прискорення, який залежить від частоти і амплітуди коливань, за яким середній час життя антибульбашок різко росте. Також він залежить від діаметра звичайних бульбашок на поверхні, який можна регулювати, надуваючи бульбашки з різною швидкістю потоку повітря. Це дає можливість зменшити швидкість руху повітря у плівці антибульбашки, що призупиняє її витончення під дією гідростатичного тиску і так відстроковує лускання.
Такі витривалі бульбашки, які можна лускати просто припиняючи вібрації, а також контролювати їхнє положення у рідині завдяки ковдрі зі звичайних бульбашок, фізики вважають перспективним і у мікрофлюїдних системах. Хоча їм поки далеко до часу життя мильних бульбашок з мікропластиком, які луснули лише через рік після того, як їх надули, і то через те, що у них поселилося «життя».
Які ще бульбашки вивчають фізики?
👨🚀бульбашки з ультрахолодних атомів. Для цього рубідій-87 вивезли на Міжнародну космічну станцію
🍳бульбашки в розпеченій олії, щоб зрозуміти, чому вона бризкається
🌌бульбашки в гало Чумацького Шляху, які створюють м’яке рентгенівське випромінювання