Un estudiante universitario resolvió recientemente una pregunta que desconcertó a los físicos durante más de medio siglo: ¿por qué las burbujas de gas parecen quedar atrapadas dentro de tubos verticales estrechos? La respuesta puede ayudar a explicar el comportamiento de los gases naturales atrapados en las rocas porosas.
Hace años, los físicos notaron que las burbujas de gas en un tubo suficientemente estrecho lleno de líquido no se movían. Pero eso es "una especie de paradoja", dijo el autor principal John Kolinski, profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (EPFL).
Esto se debe a que la burbuja de gas es menos densa que el líquido que la rodea, por lo que debe subir a la parte superior del tubo (al igual que las burbujas de aire en un vaso de agua con gas subirán a la parte superior). Además, la única resistencia al flujo en un líquido se produce cuando ese líquido se mueve, pero en este caso el líquido se detiene.
Para resolver el caso de la obstinada burbuja, Kolinski y Wassim Dhaouadi, que era un estudiante universitario de ingeniería que trabajaba en el laboratorio de Kolinski en ese momento y ahora está completando una maestría en ETH Zurich, decidieron probarlo usando un método llamado "microscopía de interferencia". " Este método es el mismo que utiliza el detector del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) para encontrar ondas gravitacionales, dijo Kolinski.
Pero en este caso, los investigadores utilizaron un microscopio hecho a medida que ilumina la muestra y mide la intensidad de la luz que rebota. Debido a que la luz se recupera de manera diferente en función de lo que golpea, las mediciones de la luz que se recupera pueden ayudar a los investigadores a determinar qué tan "grueso" es un material. De esta manera, probaron una burbuja flotante atrapada dentro de un tubo delgado lleno de un alcohol llamado isopropanol. El alcohol les permitió tener un "experimento de autolimpieza", que era necesario porque los resultados se habrían estropeado por cualquier tipo de contaminación o suciedad, dijo Kolinski.
Comenzando con un científico llamado Bretherton en la década de 1960, los investigadores probaron este fenómeno en teoría, pero nunca antes se midió directamente. Algunos cálculos sugirieron que la burbuja está rodeada por una capa extremadamente delgada de líquido que toca los lados del tubo, que disminuye lentamente de tamaño y finalmente desaparece, dijo Kolinski. Esa delgada capa crearía resistencia al movimiento de la burbuja a medida que intenta elevarse.
De hecho, los investigadores observaron esta capa muy delgada alrededor de la burbuja de gas y midieron que tenía un grosor de aproximadamente 1 nanómetro. Eso es lo que apaga el movimiento de la burbuja como lo había predicho el trabajo teórico. Pero también descubrieron que la capa líquida (que se forma porque la presión en la burbuja de gas empuja contra las paredes del tubo) no desaparece, sino que permanece en un espesor constante en todo momento.
Sobre la base de sus mediciones de la delgada capa de fluido, también pudieron calcular su velocidad. Descubrieron que la burbuja de gas no está atascada en absoluto, sino que se mueve "extraordinariamente lento", a un ritmo invisible a simple vista, debido a la resistencia causada por la capa delgada, dijo Kolinski. Sin embargo, también descubrieron que al calentar el líquido y la burbuja, podían hacer desaparecer la capa delgada, una idea novedosa que podría ser "emocionante" para explorar en futuras investigaciones, agregó.
Sus hallazgos podrían ayudar a informar el campo de las ciencias de la tierra. "Cuando tienes un gas confinado en un medio poroso", como el gas natural en roca porosa, o si estás tratando de ir en la dirección opuesta y atrapar el dióxido de carbono dentro de la roca, entonces tienes muchas burbujas de gas en espacios confinados, dijo Kolinski. "Nuestras observaciones son relevantes para la física de cómo se confinan estas burbujas de gas".
Pero la otra parte de la emoción es que este estudio muestra que "puede haber personas en todas las etapas de su carrera que hagan contribuciones valiosas", dijo Kolinski. Dhaouadi "condujo el proyecto hacia un resultado exitoso", dijo Kolinski.
Los hallazgos fueron publicados el 2 de diciembre en la revista Physical Review Fluids.
