Mister vechi de decenii, soluţionat de un student la fizică

Un student la fizică a rezolvat recent o problemă care a frământat mintea fizicienilor timp de zeci de ani: De ce bulele de gaz rămân blocate în interiorul tuburilor verticale înguste? Răspunsul poate contribui la explicarea comportamentului gazelor blocate în roci poroase, informează site-ul Live Science, citat de Agerpres.

În urmă cu mai mulţi ani, fizicienii au observat că bulele de gaz dintr-un tub suficient de îngust, umplut cu lichid, rămân pe loc. Acesta "este un fel de paradox", explică John Kolinski, profesor în cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică al Institutului Tehnologic Federal din Lausanne (EPFL), Elveţia.

Paradoxul este legat de faptul că bula de gaz este mai puţin densă decât lichidul din jurul său, aşa că ar trebui să se ridice spre suprafaţa tubului (la fel ca bulele de gaz dintr-o sticlă de apă minerală). Mai mult decât atât, singura rezistenţă faţă de această ridicare spre suprafaţă se produce dacă lichidul respectiv se mişcă, însă în acest caz fluidul rămâne nemişcat.

Pentru a rezolva misterul acestor bule încăpăţânate, care par să sfideze legile fizicii, profesorul Kolinski şi Wassim Dhaouadi, student la inginerie care lucra în laboratorul lui Kolinski în perioada în care a făcut descoperirea (în prezent masterand la ETH Zurich) au decis să apeleze la microscopia de interferenţă. Această metodă este aceeaşi folosită în cadrul detectoarelor LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) pentru detectarea undelor gravitaţionale.

Însă în acest caz, cercetătorii au folosit un microscop construit special, care trimite o rază de lumină spre mostra de substanţă ce urmează să fie analizată şi apoi măsoară intensitatea luminii care este reflectată înapoi, pentru că lumina este reflectată diferit, în funcţie de suprafaţa de care se loveşte. Astfel de măsurători îi pot ajuta pe cercetători să identifice cât de "gros" este un anume material.

Ei au studiat astfel o bulă de gaz blocată în interiorul unui tub subţire umplut cu isopropanol (un fel de alcool).

Începând din anii '60, oamenii de ştiinţă au demonstrat acest fenomen din punct de vedere teoretic, însă nu a fost niciodată măsurat direct, până acum. Unele calcule au sugerat că aceste bule sunt înconjurate de un strat extrem de subţire de lichid care atinge suprafaţa tubului în care se află şi care se diminuează încet şi în cele din urmă dispare, conform lui Kolinski. Un astfel de strat subţire ar genera rezistenţă la mişcarea bulei care încearcă să se ridice.

Cercetătorii au reuşit să observe acest foarte fin strat din jurul bulei de gaz şi i-au măsurat grosimea la aproximativ 1 nanometru. Acest strat împiedică mişcarea bulei, aşa cum explica teoria. Ei au aflat însă şi că stratul de lichid (care se formează din cauza presiunii cu care bula de gaz apasă asupra pereţilor tubului) nu dispare, ci se menţine la o grosime constantă tot timpul.

Pornind de la măsurătorile acestui strat subţire de lichid, ei au putut să-i calculeze velocitatea. Ei au descoperit că de fapt bula de gaz nu este deloc blocată ci se mişcă "extraordinar de încet", într-un ritm invizibil cu ochiul liber, din cauza rezistenţei opuse de stratul subţire de lichid ce o înconjoară. Ei au descoperit că prin încălzirea lichidului şi a bulei, acest strat fin de lichid din jurul bulei dispare - o descoperire care va fi explorată şi în studii viitoare, având aplicabilitate în domenii precum cel al exploatării gazelor naturale.

"Ori de câte ori este vorba despre un gaz blocat într-un mediu poros", aşa cum este gazul natural în rocile poroase, sau atunci când încerci să blochezi dioxidul de carbon în interiorul unor roci, atunci este vorba de foarte multe bule de gaz blocate în spaţii înguste. "Observaţiile noastre sunt relevante pentru fizica modului în care aceste bule de gaz rămân astfel blocate", a mai susţinut Kolinski.

Cealaltă concluzie importantă a acestei descoperiri este că "poţi avea persoane la orice nivel al carierei care să aducă contribuţii importante domeniului pe care-l studiază". Studentul Wassim Dhaouadi "a împins acest proiect înainte, spre succes", conform lui Kolinski.

Rezultatele obţinute de cei doi cercetători au fost publicate în numărul din 2 decembrie al revistei Physical Review Fluids.