Bubbels die regels breken: Een vloeibare ontdekking die de logica tart

25 februari 2025

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidslijnen van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

gecontroleerd op feiten

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

nagekeken

door Universiteit van North Carolina te Chapel Hill

Een team onder leiding van onderzoekers aan de UNC-Chapel Hill hebben een buitengewone ontdekking gedaan die ons begrip van bubbels en hun beweging herschrijft. Stel je voor, kleine luchtbellen in een container gevuld met vloeistof. Wanneer de container op en neer wordt geschud, vertonen deze bubbels een onverwachte, ritmische 'galopperende' beweging - stuiterend als speelse paarden en horizontaal bewegend, zelfs als het schudden verticaal plaatsvindt.

Dit tegenintuïtieve fenomeen, onthuld in een nieuwe studie gepubliceerd in Nature, heeft significante implicaties voor technologie, van oppervlakken reinigen tot het verbeteren van warmteoverdracht in microchips en zelfs het bevorderen van ruimtetoepassingen.

Deze galopperende bubbels trekken al veel aandacht: hun impact op het gebied van fluïdummechanica is erkend met een prijs voor hun video-inzending op de meest recente Gallery of Fluid Motion, georganiseerd door de American Physical Society.

'Ons onderzoek beantwoordt niet alleen een fundamentele wetenschappelijke vraag, maar inspireert ook nieuwsgierigheid en verkenning van de fascinerende, ongeziene wereld van fluïdumbeweging,' zei Pedro Sáenz, hoofdonderzoeker en hoogleraar toegepaste wiskunde aan UNC-Chapel Hill. 'Uiteindelijk kunnen de kleinste dingen soms leiden tot de grootste veranderingen.'

Samen met een collega aan de Universiteit van Princeton, zocht het onderzoeksteam een ogenschijnlijk eenvoudige vraag te beantwoorden: zou het heen en weer schudden van bubbels ze continu in één richting kunnen laten bewegen?

Tot hun verrassing verplaatsten de bubbels zich niet alleen - maar ze deden dat loodrecht op de schudrichting. Dit betekent dat verticale trillingen spontaan werden omgezet in aanhoudende horizontale beweging, iets dat ingaat tegen de gebruikelijke intuïtie in de natuurkunde. Bovendien ontdekten de onderzoekers door de schudfrequentie en amplitude aan te passen dat bubbels konden overgaan naar verschillende bewegingspatronen: rechtlijnige beweging, cirkelpaden en chaotisch zigzaggen dat doet denken aan bacteriële zoekstrategieën.

'Deze ontdekking transformeert ons begrip van bubbeldynamica, vaak onvoorspelbaar, in een gecontroleerd en veelzijdig fenomeen met verstrekkende toepassingen in warmteoverdracht, microfluïdica en andere technologieën,' legde Connor Magoon uit, mede-eerste auteur en promovendus wiskunde aan UNC-Chapel Hill.

Bubbels spelen een sleutelrol in een breed scala aan dagelijkse processen, van het bruisen in frisdranken tot klimaatregeling en industriële toepassingen zoals koelsystemen, waterzuivering en chemische productie.

Het beheersen van de bubbelsbeweging is al lange tijd een uitdaging op meerdere gebieden, maar deze studie introduceert een geheel nieuwe methode: het benutten van een fluïdum-instabiliteit om bubbels op precieze wijze te sturen.

Een onmiddellijke toepassing is te vinden in koelsystemen voor microchips. Op aarde verwijdert de opwaartse kracht natuurlijk bubbels van verwarmde oppervlakken, waardoor oververhitting wordt voorkomen. In een omgeving met microzwaartekracht, zoals in de ruimte, is er echter geen opwaartse kracht, waardoor het verwijderen van bubbels een groot probleem wordt. Deze nieuw ontdekte methode maakt het mogelijk om bubbels actief te verwijderen zonder te vertrouwen op zwaartekracht, wat kan leiden tot verbeterde warmteafvoer in satellieten en op ruimte gebaseerde elektronica.

Een andere doorbraak is te vinden in oppervlaktereiniging. Experimenten tonen aan dat 'galopperende bubbels' stoffige oppervlakken kunnen reinigen door erop te stuiteren en zigzaggend over hen heen te bewegen, als een kleine robotstofzuiger. De mogelijkheid om bubbels op deze manier te manipuleren kan leiden tot innovaties op het gebied van industriële reiniging en biomedische toepassingen zoals gerichte medicijnafgifte.

'Het nieuw ontdekte zelfaandrijvende mechanisme stelt bubbels in staat om afstanden af te leggen en geeft ze een ongekende capaciteit om door gecompliceerde vloeistofnetwerken te navigeren,' zei Saiful Tamim, mede-eerste auteur en postdoctoraal onderzoeksassistent aan UNC-Chapel Hill. 'Dit zou oplossingen kunnen bieden voor langdurige uitdagingen op het gebied van warmteoverdracht, oppervlaktereiniging en zelfs nieuwe inspiratie kunnen geven voor zachte robotische systemen.'

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die er toe doen - dagelijks of wekelijks.

Bellen hebben wetenschappers eeuwenlang gefascineerd. Leonardo da Vinci was een van de eersten die hun onvoorspelbare paden documenteerde, waarbij hij beschreef hoe ze onvoorspelbaar kronkelen in plaats van recht omhoog te stijgen. Tot nu toe is het controleren van de beweging van bellen een uitdaging gebleven, met slechts enkele beschikbare benaderingen die weinig veelzijdigheid bieden. Dit nieuwe onderzoek verandert die kijk, waarbij wordt aangetoond dat bellen langs voorspelbare paden kunnen worden geleid met zorgvuldig afgestemde trillingen.

'Het is fascinerend om te zien dat iets eenvoudigs als een bel zulk complex en verrassend gedrag onthult,' aldus Jian Hui Guan, mede-eerste auteur en postdoctoraal onderzoeksassistent aan UNC-Chapel Hill. 'Door een nieuwe methode te gebruiken om bellen te verplaatsen, hebben we mogelijkheden voor innovatie ontgrendeld op terreinen variërend van microfluidica tot warmtetransport.'

De ontdekking van galopperende bellen betekent een significante sprong voorwaarts in ons begrip van bubbeldynamica, met implicaties die zich uitstrekken over verschillende industrieën. Terwijl onderzoekers blijven verkennen en dit fenomeen verfijnen, kan de wereld binnenkort nieuwe technologieën zien die de kracht van deze kleine, acrobatische bellen benutten.

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

Tijdschriftinformatie: Nature Communications , Nature

Verstrekt door Universiteit van North Carolina in Chapel Hill