Uno studente universitario ha recentemente risolto una domanda che ha lasciato perplessi i fisici per oltre mezzo secolo: perché le bolle di gas sembrano bloccarsi all'interno di tubi verticali stretti? La risposta può aiutare a spiegare il comportamento dei gas naturali intrappolati nelle rocce porose.
Anni fa, i fisici hanno notato che le bolle di gas in un tubo sufficientemente stretto pieno di liquido non si muovevano. Ma questo è "una specie di paradosso", ha affermato l'autore senior John Kolinski, assistente professore nel dipartimento di ingegneria meccanica presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Losanna (EPFL).
Questo perché la bolla di gas è meno densa del liquido che la circonda, quindi dovrebbe salire fino alla sommità del tubo (proprio come le bolle d'aria in un bicchiere di acqua frizzante saliranno verso l'alto). Inoltre, l'unica resistenza al flusso in un liquido arriva quando quel liquido si muove, ma in questo caso il fluido è fermo.
Per risolvere il caso della bolla testarda, Kolinski e Wassim Dhaouadi, che all'epoca era uno studente di ingegneria universitario che lavorava nel laboratorio di Kolinski e ora sta completando un master presso l'ETH di Zurigo, hanno deciso di sondarlo usando un metodo chiamato "microscopia ad interferenza. " Questo metodo è lo stesso utilizzato dal rilevatore Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) per trovare le onde gravitazionali, ha detto Kolinski.
Ma in questo caso, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio su misura che illumina una luce sul campione e misura l'intensità della luce che rimbalza indietro. Poiché la luce ritorna indietro in modo diverso in base a ciò che colpisce, le misurazioni della luce che rimbalza indietro possono aiutare i ricercatori a capire quanto "spesso" sia un materiale. In questo modo, hanno sondato una bolla galleggiante intrappolata in un tubo sottile riempito con un alcool chiamato isopropanolo. L'alcool ha permesso loro di avere un "esperimento di autopulizia", necessario perché i risultati sarebbero stati incasinati da qualsiasi tipo di contaminazione o sporco, ha detto Kolinski.
A partire da uno scienziato di nome Bretherton negli anni '60, i ricercatori hanno analizzato teoricamente questo fenomeno, ma non è mai stato misurato direttamente prima. Alcuni calcoli suggeriscono che la bolla è circondata da uno strato estremamente sottile di liquido che tocca i lati del tubo, che diminuisce lentamente di dimensioni e alla fine scompare, ha detto Kolinski. Quel sottile strato creerebbe resistenza al movimento della bolla mentre tenta di sollevarsi.
I ricercatori hanno effettivamente osservato questo strato molto sottile attorno alla bolla di gas e l'hanno misurato con uno spessore di circa 1 nanometro. Questo è ciò che spegne il movimento della bolla come previsto dal lavoro teorico. Ma hanno anche scoperto che lo strato liquido (che si forma perché la pressione nella bolla del gas spinge contro le pareti del tubo) non scompare, ma rimane sempre a uno spessore costante.
Sulla base delle loro misurazioni del sottile strato di fluido, sono stati anche in grado di calcolare la sua velocità. Hanno scoperto che la bolla di gas non è affatto bloccata ma si muove piuttosto "straordinariamente lentamente" ad un ritmo invisibile ad occhio nudo, a causa della resistenza causata dallo strato sottile, ha detto Kolinski. Tuttavia, hanno anche scoperto che riscaldando il liquido e la bolla, sono stati in grado di far scomparire lo strato sottile - una nuova idea che potrebbe essere "eccitante" da esplorare nelle ricerche future, ha aggiunto.
Le loro scoperte potrebbero aiutare a informare il campo delle scienze della terra. "Ogni volta che hai un gas confinato in un mezzo poroso", come il gas naturale nella roccia porosa, o se stai cercando di andare nella direzione opposta e intrappolare l'anidride carbonica all'interno della roccia, allora hai un sacco di bolle di gas che si trovano spazi ristretti, ha detto Kolinski. "Le nostre osservazioni sono rilevanti per la fisica di come queste bolle di gas sono confinate."
Ma l'altra parte dell'eccitazione è che questo studio dimostra che "puoi avere persone in tutte le fasi della loro carriera che danno contributi preziosi", ha detto Kolinski. Dhaouadi "ha guidato il progetto verso un risultato positivo", ha detto Kolinski.
I risultati sono stati pubblicati il 2 dicembre sulla rivista Physical Review Fluids.
