​Science News: Un student rezolvă un mister al fizicii vechi de decenii

​O întrebare i-a frământat pe fizicieni timp de peste jumătate de secol: de ce par blocate bulele de gaz din interiorul unui tub vertical îngust? Răspunsul găsit de un student poate contribui la explicarea comportamentului gazelor naturale captive în interiorul rocilor poroase.

Cu ani în urmă, fizicienii au observat că bulele de gaz din interiorul unui tub suficient de îngust umplut cu lichid nu se deplasau. „Un fel de paradox”, conform lui John Kolinski, profesor la departamentul de inginerie mecanică la Institutul Federal Elvețian pentru Tehnologie din Lausanne (EPFL). Din pricină că bula de gaz este mai puțin densă decât lichidul din jurul ei, ea ar trbui să se ridice la vârful tubului (la fel ca bulele de aer dintr-un pahar cu apă gazoasă). Mai mult, singura rezistență pe care ar putea-o întâlni ar fi când lichidul curge, dar în acest caz lichidul este nemișcat.

Pentru a rezolva cazul bulei încăpățânate, Kolinski și Wassim Dhaouadi, care era student în laboratorul lui Kolinski la acea vreme și care acum urmează un masterat la ETH Zürich, au decis să utilizeze o metodă numită „interferență microscopică”. Metoda este aceeași cu cea folosită de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) pentru a detecta unde gravitaționale.

Dar în acest caz cercetătorii au folosit un microscop construit special, care emite lumină asupra unei mostre și-i măsoară intensitatea după ce este reflectată. Deoarece lumina revine diferit în funcție de ce întâlnește, măsurătorile pot determona cât de „gros” este un material. În acest fel a fost testată o bulă flotabilă prinsă într-un tub subțire umplut cu un alcool numit izopropanol. Alcoolul a permis un „experiment auto-curățat”, care era necesar pentru că rezultatele ar fi fost afectate de orice contaminare sau murdărie.

Începând cu Bretherton, om de știință din anii ʼ60, cercetătorii au făcut teste teoretice ale fenomenului, dar nu a fost măsurat direct niciodată. Unele calcule sugerau că bula este înconjurată de un strat subțire de lichid care scade treptat în dimensiuni și în cele din urmă dispare. Acel strat subțire opune rezistență când bula încearcă să urce.

Într-advăr, cercetătorii au observat acest strat foarte subțire în jurul bulei și au măsurat grosimea lui ca fiind de un nanometru. Acesta se opune mișcării bulei, așa cum a prezis teoria. Dar au mai aflat și că stratul de lichid (care se formează din cauză că presiunea din inetriorul bulei apasă pe pereții tubului) nu dispare, ci-și păstrează grosimea tot timpul.

Pe baza măsurătorilor stratului subțire de lichid i s-a putut măsura și viteza. S-a aflat că bula nu este blocată, ci se mișcă „extraordinar de încet”, o deplasare invizibilă ochiului din cauza rezistenței stratului de lichid. Totuși, s-a observat că prin încălzirea tubului stratul de lichid a dispărut – o idee „nouă” care poate fi interesantă pentru cercetări viitoare.

Rezultatele sunt folositoare pentru domeniul științelor pământului. „Oricând există un gaz conținut într-un mediu poros”, ca gazele naturale în roci poroase, sau dacă se încearcă contrariul – capturarea dioxidului de carbon în rocă, atunci există o mulțime de bule de gaz care sunt captive în spații limitate, a spus Kolinski. „Observațiile noastre sunt relevante pentru fizica modului în care aceste gaze sunt capturate”. O altă parte interesantă a studiului este că „arată că oameni aflați în toate etapele carierei pot avea contribuții valoroase”, adăugat el: „Dhaouadi a dus proiectul spre un rezultat de succes”.

Rezultatele au fost publicate pe 2 decembrie în revista Physical Review Fluids. (Live Science)