Bubblor som bryter regler: En flytande upptäckt som trotsar logiken.

25 februari 2025

Den här artikeln har granskats enligt Science X redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet:

faktakontrollerad

granskad av kollegor

pålitlig källa

korrekturläst

av universitetet University of North Carolina at Chapel Hill

Ett team ledd av forskare vid UNC-Chapel Hill har gjort en extraordinär upptäckt som omformar vår förståelse för bubblor och deras rörelse. Tänk dig små luftbubblor i en behållare fylld med vätska. När behållaren skakas upp och ned, engagerar sig dessa bubblor i en oväntad, rytmisk 'galopperande' rörelse—hoppande som lekfulla hästar och röra sig horisontellt, trots att skakningen sker vertikalt.

Denna motintuitiva fenomen, avslöjat i en ny studie publicerad i Nature, har betydande implikationer för teknik, från att rengöra ytor till att förbättra värmeöverföring i mikrochip och till och med främja rymdapplikationer.

Dessa galopperande bubblor väcker redan betydande uppmärksamhet: deras inverkan inom fluiddynamikfältet har blivit erkänd med ett pris för deras videoinlägg vid den senaste Gallery of Fluid Motion, organiserad av American Physical Society.

'Vår forskning besvarar inte bara en grundläggande vetenskaplig fråga utan inspirerar också nyfikenhet och utforskningen av den fascinerande, osynliga världen av fluidrörelse,' sa Pedro Sáenz, huvudforskare och professor i tillämpad matematik vid UNC-Chapel Hill. 'Till syvende och sist kan de minsta sakerna ibland leda till de största förändringarna.'

I samarbete med en kollega vid Princeton University, sökte forskarteamet svar på en till synes enkel fråga: Kunde skakande av bubblor upp och ned få dem att röra sig kontinuerligt i en riktning?

Till deras förvåning, inte bara rörde sig bubblorna—utan de gjorde det vinkelrätt mot skakriktningen. Detta innebär att vertikala vibrationer spontant omvandlades till ihållande horisontell rörelse, något som trotsar vanlig intuition inom fysik. Dessutom, genom att justera skakfrekvensen och amplituden, upptäckte forskarna att bubblorna kunde övergå mellan olika rörelsemönster: rörelse i raka linjer, cirkulära banor och kaotiska zickzack-rörelser som påminner om bakteriella sökstrategier.

'Denna upptäckt förvandlar vår förståelse för bubblors dynamik, som vanligtvis är oförutsägbar, till ett kontrollerat och mångsidigt fenomen med omfattande tillämpningar inom värmeöverföring, mikrofluidik och andra teknologier,' förklarade Connor Magoon, gemensam försteförfattare och doktorand i matematik vid UNC-Chapel Hill.

Bubblor spelar en nyckelroll i en mängd vardagliga processer, från bubblorna i läsk till klimatreglering och industriella tillämpningar som kylsystem, vattenrening och kemisk produktion.

Att kontrollera bubblornas rörelse har länge varit en utmaning inom flera områden, men denna studie introducerar en helt ny metod: att utnyttja en fluidinstabilitet för att styra bubblor på precisa sätt.

En omedelbar tillämpning är inom kylsystem för mikrochip. På jorden avlägsnas bubblor naturligt från uppvärmda ytor genom uppdrift, vilket förhindrar överhettning. Men i mikrogravitationsmiljöer som rymden finns ingen uppdrift, vilket gör borttagning av bubblor till ett stort problem. Denna nyupptäckta metod gör det möjligt för bubblorna att aktivt avlägsnas utan att förlita sig på tyngdkraften, vilket kan möjliggöra förbättrad värmeöverföring i satelliter och rymdbaserade elektronik.

En annan genombrottsupptäckt är inom ytrengöring. Konceptbevisexperiment visar att 'galopperande bubblor' kan rengöra dammiga ytor genom att studsande och zickzacka över dem, som en liten Roomba. Förmågan att manipulera bubblornas rörelse på detta sätt kan leda till innovationer inom industriell rengöring och medicinska tillämpningar såsom riktad läkemedelsleverans.

'Den nyupptäckta självförflyttandemekanismen gör att bubblor kan färdas avstånd och ger dem en oöverträffad förmåga att navigera intrikata fluidnätverk,' sa Saiful Tamim, gemensam försteförfattare och postdoktorand i forskningsassistent vid UNC-Chapel Hill. 'Detta kan erbjuda lösningar på långvariga utmaningar inom värmeöverföring, ytrengöring och till och med inspirera nya mjuka robotiska system.'

Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt kostnadsfria nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som spelar roll—dagligen eller veckovis.

Bubblor har fascinerat forskare i århundraden. Leonardo da Vinci var en av de första att dokumentera deras oberäkneliga vägar, beskrivande hur de snurrar oförutsägbart istället för att stiga rakt upp. Hittills har kontrollen av bubblors rörelse varit en utmaning, med få tillgängliga metoder som saknar mångsidighet. Denna nya forskning ändrar den perspektivet, och visar att bubblor kan styras längs förutsägbara vägar med noggrant avstämda vibrationer. 'Det är fascinerande att se hur något så enkelt som en bubbla kan avslöja så komplex och överraskande beteende,' sa Jian Hui Guan, gemensam försteförfattare och postdoktor vid UNC-Chapel Hill. 'Genom att hantera en ny metod för att flytta bubblor, har vi öppnat möjligheter för innovation inom områden som sträcker sig från mikrofluidik till värmeöverföring.' Upptäckten av galopperande bubblor representerar ett betydande steg framåt i vår förståelse för bubblors dynamik, med konsekvenser som sträcker sig över olika branscher. Medan forskare fortsätter att utforska och förbättra detta fenomen, kan världen snart se nya teknologier som utnyttjar kraften hos dessa små, akrobatiska bubblor. Mer information: Jian H. Guan et al, Galloping Bubbles, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56611-5 Tidskriftsinformation: Nature Communications, Nature Tillhandahålls av University of North Carolina at Chapel Hill