Пузырьки лопаются, когда их оболочки разрываются. Дети открывают для себя это явление каждый летний день, но оно также лежит в основе ключевых механизмов распространения загрязняющих веществ, вредных примесей и даже инфекционных заболеваний через образование капель аэрозоля. Хотя лопание пузырьков в чистых веществах широко изучено, влияние загрязнителей на динамику лопанья не получило широкого внимания.
Исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне провели систематическое исследование, чтобы изучить струи, образующиеся при лопанье пузырьков — аэрозольные частицы, распыляемые при разрыве поверхности пузырьков — при наличии поверхностных загрязнителей. Лаборатория профессора кафедры механических наук и инженерии Цзе Фэна разработала модель, предсказывающую влияние загрязнителей на размер струи, и экспериментально подтвердила её.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, где оно было отобрано как предложение редакторов.
«Пузырьки обычно образуются или намеренно используются во многих природных и инженерных условиях, — сказал Фэн. — Когда они поднимаются из-за плавучести, они покрываются окружающими химическими веществами, такими как микро- и нанопластик, биосурфактанты и даже бактерии и вирусы, и распространяются через струи жидкости и образующиеся капли аэрозоля, возникающие при разрыве пузырьков на границе раздела воздух-жидкость».
«Этот механизм имеет решающее значение для понимания таких явлений, как распространение загрязняющих веществ в воздухе из-за разливов нефти и распространения респираторных заболеваний, но до настоящего времени не проводилось систематических исследований для количественной оценки размера капель, содержащих загрязнители. Мы стремимся провести контролируемые эксперименты и разработать теоретическую основу для прогнозирования их размера», — объясняет Фэн.
Лаборатория профессора Цзе Фэна использовала свои возможности в области многофазных течений для изучения этого явления. Чтобы имитировать загрязнённый пузырёк, исследователи использовали специализированную коаксиальную систему отверстий, которая впрыскивает газ в воду для образования пузырьков, а затем покрывает их силиконовым маслом. Изменяя свойства масла, можно было изучить влияние его характеристик на характеристики струи с помощью высокоскоростной камеры.
«Моё исследование было сосредоточено на механике жидкости и воздействии на окружающую среду, связанном с лопаньем пузырьков, — сказал Чжэнъюй Ян, аспирант лаборатории Фэна и ведущий автор исследования. — Мы уже создали экспериментальные возможности, необходимые для получения высококачественных данных по этой проблеме. Затем встал вопрос о создании правильной теории, чтобы объяснить то, что мы обнаружили».
Результаты показали, что размер выбрасываемых капель аэрозоля зависит от толщины слоя масла, вязкости масла и поверхностного натяжения. Чтобы разработать математическую модель, объясняющую это поведение, исследователи ввели новый параметр, учитывающий наличие масляного слоя. Они называют этот параметр «пересмотренным числом Онезорге» в честь классического числа Онезорге, управляющего динамикой чистых струй лопанья пузырьков.
«Наши результаты ценны для понимания и смягчения воздушно-капельной передачи загрязняющих веществ, опосредованной пузырьками и каплями, — сказал Фэн. — Чтобы реализовать их в полной мере, нашим следующим шагом будет рассмотрение коллективного лопанья пузырьков — исследования многих пузырьков, одновременно производящих аэрозольные струи, что является более практическим сценарием в реальном мире. Мы надеемся, что инструменты и знания, полученные в ходе этого исследования, будут широко применяться для выяснения механистического влияния различных загрязнённых интерфейсов на многофазные потоки».
В работе также участвовала Ян Лю из Университета Цинхуа.
Предоставлено Инженерным колледжем Грейнджера при Университете Иллинойса.