Bolle che infrangono le regole: una scoperta fluida che sfida la logica.

25 febbraio 2025

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da University of North Carolina at Chapel Hill

Un team guidato dai ricercatori di UNC-Chapel Hill ha fatto una scoperta straordinaria che sta ridefinendo la nostra comprensione delle bolle e del loro movimento. Immaginate piccole bolle d'aria all'interno di un contenitore pieno di liquido. Quando il contenitore viene agitato su e giù, queste bolle si impegnano in un inaspettato movimento ritmico "galoppante" - rimbalzando come cavalli giocosi e muovendosi orizzontalmente, anche se l'agitazione avviene verticalmente.

Questo fenomeno controintuitivo, rivelato in uno studio pubblicato su Nature, ha importanti implicazioni per la tecnologia, dal pulire le superfici al migliorare il trasferimento di calore nei microchip e persino avanzare nelle applicazioni spaziali.

Queste bolle galoppanti stanno già attirando notevole attenzione: il loro impatto nel settore della dinamica dei fluidi è stato riconosciuto con un premio per il contributo video alla più recente Gallery of Fluid Motion, organizzata dall'American Physical Society.

'Le nostre ricerche non solo rispondono a una domanda scientifica fondamentale ma anche ispirano la curiosità e l'esplorazione del affascinante mondo invisibile del movimento dei fluidi,' ha detto Pedro Sáenz, investigatore principale e professore di matematica applicata presso UNC-Chapel Hill. 'Dopotutto, le piccole cose a volte possono portare ai cambiamenti più grandi.'

In collaborazione con un collega dell'Università di Princeton, il team di ricerca ha cercato di rispondere a una domanda apparentemente semplice: agitare le bolle su e giù potrebbe farle muovere continuamente in una direzione?

Per loro sorpresa, non solo le bolle si sono mosse - ma lo hanno fatto in direzione perpendicolare all'agitazione. Questo significa che le vibrazioni verticali sono state trasformate spontaneamente in un movimento orizzontale persistente, qualcosa che sfida l'intuizione comune della fisica. Inoltre, regolando la frequenza e l'ampiezza dell'agitazione, i ricercatori hanno scoperto che le bolle potevano passare tra diversi schemi di movimento: movimento in linea retta, percorsi circolari e zig-zag caotici, ricordando le strategie di ricerca batterica.

'Questa scoperta trasforma la nostra comprensione della dinamica delle bolle, di solito imprevedibile, in un fenomeno controllato e versatile con applicazioni di vasta portata nel trasferimento di calore, in microfluidica e in altre tecnologie,' ha spiegato Connor Magoon, autore congiunto e dottorando in matematica presso UNC-Chapel Hill.

Le bolle svolgono un ruolo chiave in una vasta gamma di processi quotidiani, dalla frizzantezza delle bevande gassate alla regolazione del clima e alle applicazioni industriali come sistemi di raffreddamento, trattamento dell'acqua e produzione chimica.

Il controllo del movimento delle bolle è stato a lungo una sfida in diversi settori, ma questo studio introduce un metodo completamente nuovo: sfruttare un'instabilità del fluido per dirigere le bolle in modi precisi.

Una delle applicazioni immediate è nei sistemi di raffreddamento per microchip. Sulla Terra, la galleggiabilità rimuove naturalmente le bolle dalle superfici riscaldate, impedendo il surriscaldamento. Tuttavia, in ambienti di microgravità come lo spazio, non c'è galleggiabilità, rendendo la rimozione delle bolle un problema importante. Questo nuovo metodo scoperto consente di rimuovere attivamente le bolle senza dover fare affidamento sulla gravità, il che può consentire un migliore trasferimento di calore nei satelliti e nell'elettronica spaziale.

Un altro avanzamento riguarda la pulizia delle superfici. Gli esperimenti dimostrativi mostrano che le 'bolle galoppanti' possono pulire superfici polverose rimbalzando e zigzagando su di esse, come un piccolo Roomba. La capacità di manipolare il movimento delle bolle in questo modo potrebbe portare a innovazioni nella pulizia industriale e nelle applicazioni biomediche come la somministrazione mirata di farmaci.

'Il meccanismo di auto-propulsione appena scoperto consente alle bolle di percorrere distanze e conferisce loro una capacità senza precedenti di navigare reti di fluido intricate,' ha detto Saiful Tamim, autore congiunto e assistente di ricerca post-dottorato presso UNC-Chapel Hill. 'Questo potrebbe offrire soluzioni a problemi secolari nel trasferimento di calore, nella pulizia delle superfici e persino ispirare nuovi sistemi robotici morbidi.'

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Le bolle hanno affascinato gli scienziati per secoli. Leonardo da Vinci è stato uno dei primi a documentare i loro percorsi erratici, descrivendo come si spirano in modo imprevedibile invece di salire dritto verso l'alto. Fino ad ora, controllare il movimento delle bolle è rimasto una sfida, con approcci disponibili pochi e privi di versatilità. Questa nuova ricerca cambia quella prospettiva, dimostrando che le bolle possono essere guidate lungo percorsi prevedibili utilizzando vibrazioni attentamente accordate.

'È affascinante vedere qualcosa di semplice come una bolla rivelare un comportamento così complesso e sorprendente,' ha detto Jian Hui Guan, autore principale e assistente di ricerca post-dottorato presso la UNC-Chapel Hill. 'Sfruttando un nuovo metodo per spostare le bolle, abbiamo sbloccato possibilità di innovazione in campi che vanno dalla microfluidica al trasferimento di calore.'

La scoperta delle bolle che galoppavano rappresenta un significativo passo avanti nella nostra comprensione della dinamica delle bolle, con implicazioni che si estendono attraverso le industrie. Mentre i ricercatori continuano ad esplorare e raffinare questo fenomeno, il mondo potrebbe presto vedere nuove tecnologie che sfruttano il potere di queste minuscole bolle acrobatiche.

Ulteriori informazioni: Jian H. Guan et al, Galloping Bubbles, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56611-5

Informazioni sulla rivista: Nature Communications, Nature

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