Pęcherze, które łamią zasady: Odkrycie płynnej substancji, które przeczy logice

25 lutego 2025

Ten artykuł został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy zwrócili uwagę na następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

zweryfikowane fakty

publikacja recenzowana przez rówieśników

zaufane źródło

skorygowane

przez University of North Carolina w Chapel Hill

Zespół pod kierownictwem badaczy z UNC-Chapel Hill dokonał nadzwyczajnego odkrycia, które zmienia nasze zrozumienie pęcherzyków i ich ruchu. Wyobraź sobie małe pęcherzyki powietrza w pojemniku wypełnionym płynem. Kiedy pojemnik jest wstrząsany w górę i w dół, te pęcherzyki przeprowadzają nieoczekiwany, rytmiczny ruch „galopujący” - podskakują jak rozbawione konie i poruszają się poziomo, mimo że wstrząsanie zachodzi pionowo.

To przeciwintuicyjne zjawisko, ujawnione w nowym badaniu opublikowanym w Nature, ma istotne konsekwencje dla technologii - od czyszczenia powierzchni, poprawy przewodzenia ciepła w mikroczipach, aż po rozwijanie zastosowań kosmicznych.

Te galopujące pęcherzyki zyskują już znaczącą uwagę: ich wpływ na dziedzinę dynamiki płynów został zauważony nagrodą dla ich wideo podczas najnowszej Galerii Ruchu Płynów, zorganizowanej przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne.

„Nasze badania nie tylko odpowiadają na fundamentalne pytanie naukowe, ale także inspirują ciekawość i eksplorację fascynującego, niewidzialnego świata ruchu cieczy,” powiedział Pedro Sáenz, główny badacz i profesor matematyki stosowanej na UNC-Chapel Hill. „Przecież najmniejsze rzeczy czasami mogą prowadzić do największych zmian.”

Współpracując z kolegą z Uniwersytetu Princeton, zespół badawczy postanowił odpowiedzieć na pozornie proste pytanie: Czy wstrząsanie pęcherzyków w górę i w dół może sprawić, że będą się one poruszać ciągle w jednym kierunku?

Do ich zdziwienia, pęcherzyki nie tylko się poruszały - ale robiły to prostopadle do kierunku wstrząsania. Oznacza to, że wibracje pionowe zostały spontanicznie przekształcone w ciągły ruch poziomy, co jest sprzeczne z powszechnym przekonaniem w fizyce. Ponadto, dostosowując częstotliwość i amplitudę wstrząsów, badacze odkryli, że pęcherzyki mogą przechodzić między różnymi wzorami ruchu: ruchem po linii prostej, drogami okrężnymi i chaotycznymi zygzakami przypominającymi strategie poszukiwania bakterii.

„To odkrycie zmienia nasze zrozumienie dynamiki pęcherzyków, która zazwyczaj jest nieprzewidywalna, w kontrolowane i wszechstronne zjawisko z dalekosiężnymi zastosowaniami w przewodzeniu ciepła, mikrofluidyce i innych technologiach,” wyjaśnił Connor Magoon, współautor i doktorant matematyki na UNC-Chapel Hill.

Pęcherzyki odgrywają kluczową rolę w szerokim spektrum codziennych procesów, od bąbelków w napojach gazowanych po regulację klimatu i zastosowania przemysłowe, takie jak systemy chłodzenia, oczyszczanie wody i produkcja chemiczna.

Kontrolowanie ruchu pęcherzyków od dawna stanowi wyzwanie w wielu dziedzinach, ale to badanie wprowadza zupełnie nową metodę: wykorzystanie niestabilności płynów do kierowania pęcherzykami w precyzyjny sposób.

Jednym z natychmiastowych zastosowań jest w systemach chłodzenia mikroczipów. Na Ziemi pływalność naturalnie usuwa pęcherzyki z nagrzejnych powierzchni, zapobiegając przegrzaniu. Jednakże, w warunkach mikrograwitacji, takich jak w kosmosie, brak pływalności sprawia, że usunięcie pęcherzyków staje się poważnym problemem. Ta nowo odkryta metoda pozwala na aktywne usuwanie pęcherzyków bez polegania na grawitacji, co może umożliwić poprawę przewodzenia ciepła w satelitach i elektronice kosmicznej.

Kolejnym przełomem jest czyszczenie powierzchni. Eksperymenty koncepcyjne pokazują, że „galopujące pęcherzyki” mogą czyścić zakurzone powierzchnie, odbijając się i zygzakując po nich, jak mały odkurzacz. Możliwość manipulowania ruchem pęcherzyków w ten sposób może prowadzić do innowacji w dziedzinie czyszczenia przemysłowego i zastosowań biomedycznych, takich jak dostarczanie leków w sposób ukierunkowany.

„Nowo odkryty mechanizm samonapędu umożliwia pęcherzykom pokonywanie odległości i nadaje im niezrównaną zdolność poruszania się w zawiłych sieciach płynów,” powiedział Saiful Tamim, współautor i asystent badawczy po doktoracie na UNC-Chapel Hill. „Może to zaproponować rozwiązania dla długotrwałych wyzwań w przewodzeniu ciepła, czyszczeniu powierzchni, a nawet inspirować nowe systemy robotów miękkich.”

Odkrywaj najnowsze informacje z dziedziny nauki, technologii i kosmosu razem z ponad 100 000 subskrybentami, którzy polegają na Phys.org, by codziennie otrzymywać najnowsze spostrzeżenia. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje o przełomach, innowacjach i badaniach, które mają znaczenie - codziennie lub co tydzień.

Pęcherzyki od wieków fascynują naukowców. Leonardo da Vinci był jednym z pierwszych, którzy udokumentowali ich chaotyczne trasy, opisując, jak wirują nieprzewidywalnie zamiast prostym pionem wzrastać. Do teraz kontrolowanie ruchu pęcherzyków pozostawało wyzwaniem, a dostępne podejścia były nieliczne i pozbawione wszechstronności. Nowe badania zmieniają ten punkt widzenia, dowodząc, że pęcherzyki można kierować po przewidywalnych trasach, korzystając z ostro wyregulowanych drgań.

'Fascynujące jest zobaczyć, jak coś tak prostego jak pęcherzyk ujawnia tak złożone i zaskakujące zachowanie,' powiedział Jian Hui Guan, współautor i adiunkt naukowy na UNC-Chapel Hill. 'Wykorzystując nową metodę poruszania pęcherzykami, odblokowaliśmy możliwości innowacji w dziedzinach od mikrofluidyki do przesyłu ciepła.'

Odkrycie galopujących pęcherzyków stanowi znaczący skok naprzód w naszym zrozumieniu dynamiki pęcherzyków, z implikacjami sięgającymi różnych branż. W miarę jak badacze będą nadal zgłębiać i doskonalić to zjawisko, świat wkrótce może zobaczyć nowe technologie, wykorzystujące moc tych małych, akrobatycznych pęcherzyków.

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

Informacje o czasopiśmie: Nature Communications , Nature

Dostarczone przez University of North Carolina at Chapel Hill