Blasen, die Regeln brechen: Eine flüssige Entdeckung, die der Logik trotzt

25. Februar 2025

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von der University of North Carolina in Chapel Hill

Ein Team unter der Leitung von Forschern an der UNC-Chapel Hill hat eine außergewöhnliche Entdeckung gemacht, die unser Verständnis von Blasen und ihrer Bewegung verändert. Stellen Sie sich winzige Luftblasen in einem Behälter vor, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. Wenn der Behälter auf und ab geschüttelt wird, nehmen diese Blasen eine unerwartete, rhythmisches 'galoppierendes' Bewegung an - sie hüpfen wie verspielte Pferde und bewegen sich horizontal, obwohl das Schütteln vertikal erfolgt.

Dieses kontraintuitive Phänomen, das in einer neuen Studie in Nature veröffentlicht wurde, hat erhebliche Auswirkungen auf die Technologie, von der Reinigung von Oberflächen bis zur Verbesserung der Wärmeübertragung in Mikrochips und sogar zur Förderung von Weltraumanwendungen.

Diese galoppierenden Blasen erregen bereits beträchtliche Aufmerksamkeit: Ihr Einfluss auf das Gebiet der Strömungsmechanik wurde mit einem Preis für ihren Videoeinsatz in der letzten Gallery of Fluid Motion, die von der American Physical Society organisiert wurde, ausgezeichnet.

'Unsere Forschung beantwortet nicht nur eine grundlegende wissenschaftliche Frage, sondern regt auch die Neugier und die Erkundung der faszinierenden, unsichtbaren Welt der Fluidbewegung an,' sagte Pedro Sáenz, Hauptermittler und Professor für angewandte Mathematik an der UNC-Chapel Hill. 'Schließlich können die kleinsten Dinge manchmal zu den größten Veränderungen führen.'

In Zusammenarbeit mit einem Kollegen an der Princeton University versuchte das Forschungsteam, eine scheinbar einfache Frage zu beantworten: Könnte man durch Schütteln von Blasen nach oben und unten sie kontinuierlich in eine Richtung bewegen?

Zu ihrer Überraschung bewegten sich die Blasen nicht nur - sondern sie taten dies senkrecht zur Schüttelrichtung. Das bedeutet, dass vertikale Vibrationen spontan in eine anhaltende horizontale Bewegung umgewandelt wurden, was der gängigen Intuition in der Physik widerspricht. Darüber hinaus entdeckten die Forscher durch Anpassung der Schüttelfrequenz und Amplitude, dass die Blasen zwischen verschiedenen Bewegungsmustern wechseln konnten: geradlinige Bewegung, kreisförmige Wege und chaotisches Hin- und Her wie bei bakteriellen Suchstrategien.

'Diese Entdeckung wandelt unser Verständnis der Blasendynamik, die normalerweise unvorhersehbar ist, in ein kontrolliertes und vielseitiges Phänomen mit weitreichenden Anwendungen in der Wärmeübertragung, Mikrofluidik und anderen Technologien,' erklärte Connor Magoon, gemeinsamer Erstautor und Doktorand für Mathematik an der UNC-Chapel Hill.

Blasen spielen eine Schlüsselrolle in einer Vielzahl von alltäglichen Prozessen, von der Kohlensäure in Erfrischungsgetränken über die Klimaregulierung bis hin zu industriellen Anwendungen wie Kühlsystemen, Wasseraufbereitung und Chemieproduktion.

Die Kontrolle der Bl Bewegung war schon immer eine Herausforderung in verschiedenen Bereichen, aber diese Studie stellt eine völlig neue Methode vor: die Nutzung einer Flüssigkeitsinstabilität, um Blasen präzise zu lenken.

Eine unmittelbare Anwendung liegt in Kühlsystemen für Mikrochips. Auf der Erde entfernt die Auftriebskraft natürlicherweise Blasen von erhitzten Oberflächen und verhindert Überhitzung. In Mikrogravitationsumgebungen wie dem Weltraum gibt es jedoch keinen Auftrieb, was die Blasenentfernung zu einem großen Problem macht. Diese neu entdeckte Methode ermöglicht es, Blasen aktiv zu entfernen, ohne sich auf die Schwerkraft zu verlassen, was eine verbesserte Wärmeübertragung in Satelliten und elektronischen Geräten im Weltraum ermöglichen kann.

Ein weiterer Durchbruch liegt in der Oberflächenreinigung. Experimente zum Nachweis des Konzeptes zeigen, dass 'galoppierende Blasen' staubige Oberflächen reinigen können, indem sie darüber hüpfen und hin- und hergehen, wie ein winziger Roomba. Die Fähigkeit, die Blasenbewegung auf diese Weise zu manipulieren, könnte zu Innovationen in der industriellen Reinigung und in biomedizinischen Anwendungen wie der gezielten Arzneimittelverabreichung führen.

'Der neu entdeckte Selbstantriebsmechanismus ermöglicht es Blasen, Strecken zurückzulegen und verleiht ihnen eine beispiellose Fähigkeit, sich durch komplexe Flüssigkeitsnetzwerke zu bewegen,' sagte Saiful Tamim, gemeinsamer Erstautor und postdoktorierter Forschungsassistent an der UNC-Chapel Hill. 'Dies könnte Lösungen für langjährige Herausforderungen in der Wärmeübertragung, Oberflächenreinigung bieten, und sogar neue Systeme für weiche Robotik inspirieren.'

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Blasen haben Wissenschaftler seit Jahrhunderten fasziniert. Leonardo da Vinci war einer der ersten, der ihre unberechenbaren Pfade dokumentierte und beschrieb, wie sie sich unvorhersehbar winden, anstatt gerade nach oben zu steigen. Bisher blieb die Kontrolle über die Bewegung von Blasen eine Herausforderung, da verfügbare Ansätze wenige und wenig vielseitig waren. Diese neue Forschung ändert diese Perspektive, indem sie zeigt, dass Blasen entlang vorhersagbarer Pfade geführt werden können, indem sorgfältig abgestimmte Vibrationen verwendet werden. "Es ist faszinierend zu sehen, wie etwas so simples wie eine Blase ein so komplexes und überraschendes Verhalten zeigt," sagte Jian Hui Guan, Mitautor und Postdoktorand am UNC-Chapel Hill. "Indem wir eine neue Methode nutzen, um Blasen zu bewegen, haben wir Möglichkeiten für Innovationen in Bereichen von der Mikrofluidik bis zum Wärmetransfer erschlossen." Die Entdeckung der galoppierenden Blasen stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der Blasendynamik dar, mit Auswirkungen, die sich über Industrien erstrecken. Während Forscher dieses Phänomen weiter erforschen und verfeinern, könnten bald neue Technologien entstehen, die die Kraft dieser winzigen, akrobatischen Blasen nutzen. Weitere Informationen: Jian H. Guan et al, Galloping Bubbles, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56611-5 Journalinformation: Nature Communications, Nature Bereitgestellt von der University of North Carolina at Chapel Hill