Физики установили, что при интенсивной тряске пузырьки воздуха стремительно покидают свою среду.

Пузырьки в жидкостях являются неотъемлемой частью нашей жизни — мы встречаем их в газированных напитках и системах кондиционирования. Они также находят применение в промышленности — в системах охлаждения, очистки воды и при производстве химикатов.

Контроль за движением пузырьков долгое время представлял собой сложную задачу в различных областях. Недавно ученые смогли использовать гидродинамическую неустойчивость для точного управления пузырьками. Исследовательская группа поставила перед собой, казалось бы, простой вопрос: может ли встряхивание пузырьков вверх и вниз заставить их двигаться непрерывно в одном направлении?

Пузырьки не просто двигались — они делали это перпендикулярно направлению встряхивания. Когда контейнер трясут вверх и вниз, пузырьки начинают неожиданно ритмично «галопировать» — подпрыгивать, как игривые лошади, и двигаться горизонтально, несмотря на вертикальное встряхивание.

Регулируя частоту и амплитуду встряхивания, исследователи смогли переключать режимы движения. Теперь они знают, как обеспечить прямолинейное, круговое и хаотичное зигзагообразное движение, напоминающее стратегии поиска пищи у бактерий. Объяснение и сопутствующие феномену математические расчеты опубликованы в журнале Nature Communications.

Одним из применений феномена «галопирования» являются системы охлаждения микрочипов. На Земле пузырьки газов поднимаются с нагретых поверхностей, предотвращая перегрев. Однако в космосе плавучесть отсутствует, и это делает удаление пузырьков серьезной проблемой. Новый метод позволяет активно удалять пузырьки в среде без гравитации, что может улучшить теплопередачу в спутниках и космической электронике.

Открытая особенность движения пузырьков может быть использована для очистки поверхности. Дополнительные эксперименты показали, что «галопирующие пузырьки» способны очищать пыльные поверхности. Они движутся зигзагами, как миниатюрный робот-пылесос. Ученые надеются, что управление движением пузырьков приведет к новым подходам в очистке поверхностей и целевой доставке лекарств.

«Новый механизм самодвижения позволяет пузырькам преодолевать расстояния и дает им беспрецедентную способность перемещаться по сложным жидкостным сетям. Это может предложить решения давних проблем в системах теплопередачи, очистке поверхностей и даже вдохновить на создание новых мягких роботизированных систем», — отметил Сайфул Тамим (Saiful Tamim), научный сотрудник Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле (США).

Управление движением пузырьков остается сложной задачей, несмотря на то что они встречаются в большинстве жидкостей в той или иной форме. Методы, доступные инженерам и исследователям для влияния на их перемещения, ограничены. Работа ученых демонстрирует, что пузырьки можно направлять по предсказуемым траекториям с помощью тщательно настроенных вибраций.

«Это открытие меняет наше понимание динамики пузырьков, из непредсказуемого явления в контролируемое и универсальное с далекоидущими приложениями в теплопередаче, микрофлюидике и других технологиях», — пояснил Коннор Магун (Connor Magoon), аспирант-математик из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.