Entendendo a Mesclagem de Bolhas em Soluções de Polímeros

Quando duas bolhas em um líquido se aproximam, uma camada fina de líquido entre elas começa a drenar. Eventualmente, essa camada se rompe e as bolhas se juntam para formar uma única bolha maior. Esse processo de fusão cria um pescoço que vai se expandindo com o tempo. A forma como esse pescoço cresce é bem conhecida em líquidos simples, que seguem as leis de Newton. Porém, não se entende muito bem quando o líquido ao redor contém polímeros longos e flexíveis que dão a ele propriedades diferentes.

Neste estudo, a gente analisa como a fusão de bolhas se comporta quando cercada por soluções poliméricas. Diferente das gotículas, onde a fusão é bem afetada pela presença de polímeros, a gente descobriu que nas fases iniciais da fusão das bolhas, a dinâmica permanece inalterada, apesar dos polímeros esticarem. Conforme a fusão continua, a elasticidade dos polímeros desacelera o fluxo do líquido.

Esses achados podem ser explicados por um modelo que prevê uma tensão forte perto da extremidade do pescoço. Curiosamente, enquanto uma tensão alta ocorre na extremidade do pescoço, a tensão se direciona mais na direção circular, ajudando a esclarecer por que os efeitos elásticos não dominam no início da fusão.

A fusão de bolhas é importante em várias áreas, incluindo indústria e meio ambiente. A forma como as bolhas se fundem influencia seus tamanhos e pode impactar processos como a formação de nuvens, erupções vulcânicas ou as qualidades de materiais espumosos.

Do ponto de vista científico, a fusão de bolhas é interessante porque representa um evento único onde duas bolhas se tornam uma, mudando como o fluido se comporta. Assim que duas bolhas se tocam, elas criam um pequeno pescoço. Logo após a fusão, a Curvatura do pescoço aumenta rapidamente. Isso leva a uma pressão maior, que faz o filme líquido entre as bolhas se afastar e permite que o pescoço cresça.

Dependendo das características do líquido, o crescimento do pescoço pode ser controlado pela inércia ou Viscosidade. Essa interação leva a um crescimento rápido do pescoço, aumentando com o tempo. A taxa desse crescimento pode ser descrita usando o número de Ohnesorge, que mede o equilíbrio entre forças viscosas e inerciais.

Comportamentos de fluxo diferentes podem ser observados com base nas propriedades do líquido. Em muitos cenários naturais onde bolhas se fundem, o líquido frequentemente se comporta de maneira viscoelástica. Isso torna vital entender como essas propriedades influenciam o processo de fusão.

Líquidos Viscoelásticos são comuns e geralmente contêm polímeros longos. Quando se movem, esses polímeros dissolvidos se esticam e exercem forças elásticas sobre o líquido. Depois de um certo tempo, essas forças elásticas se relaxam, permitindo que os polímeros voltem à sua forma original. Assim, as tensões elásticas têm um papel significativo em fluxos onde as taxas de fluxo são muito maiores do que o tempo que leva para os polímeros relaxarem.

No contexto de bolhas em soluções poliméricas, as forças viscoelásticas criam formas únicas na parte de trás das bolhas que sobem, mudando significativamente a resistência das bolhas. Uma situação semelhante acontece com gotas. Quando gotas poliméricas se quebram, elas criam um fio longo mantido por polímeros esticados. Esse fio vai afinando gradualmente com o tempo, governado por quão rápido os polímeros conseguem relaxar.

A fusão de bolhas em líquidos viscoelásticos é o foco dessa pesquisa. Esse cenário é semelhante à fusão de gotas viscoelásticas, embora a dinâmica não tenha sido estudada extensivamente no caso das bolhas até recentemente. Foi descoberto que, durante a fusão de gotas com polímeros dissolvidos, o impacto do estiramento foi mínimo nas fases iniciais do processo em comparação com fluidos newtonianos. No entanto, a presença de polímeros influenciou a forma do pescoço devido ao seu estiramento radial forte.

Esse estudo visa analisar a fusão de bolhas em soluções poliméricas. As dinâmicas da fusão de bolhas incluem uma rápida formação do pescoço, levando a um estiramento significativo dos polímeros. No entanto, a estrutura do fluxo difere da das gotas, já que a fusão das bolhas é impulsionada pelo encolhimento do filme líquido ao redor.

O artigo está estruturado da seguinte forma. Primeiro, discutimos os métodos experimentais usados para observar a fusão de duas bolhas. Depois, apresentamos as propriedades das soluções poliméricas que usamos, focando no tempo de relaxamento e viscosidade. Em seguida, discutimos os achados relacionados à forma e crescimento do pescoço. Surpreendentemente, encontramos que o estiramento dos polímeros não afeta a dinâmica do pescoço nas fases iniciais. Explicamos essas observações através de um equilíbrio de forças atuando sobre o filme líquido retrátil, incluindo as forças elásticas causadas pelo estiramento dos polímeros.

Para observar os efeitos das propriedades viscoelásticas na fusão de bolhas, realizamos experimentos capturando o processo com câmeras de alta velocidade. Criamos uma bolha estacionária injetando ar lentamente por uma agulha e a aproximamos de uma superfície submersa. Então, uma segunda bolha de tamanho semelhante foi injetada pela agulha e cuidadosamente colocada em contato com a primeira bolha.

Os tamanhos das bolhas foram variados, mas permaneceram praticamente do mesmo tamanho ao longo do experimento. À medida que as bolhas se aproximavam, pareciam se tocar, mas uma camada muito fina de líquido ainda as separava, impedindo sua fusão. Assim que essa camada drenou completamente e se rompeu, registramos a fusão usando uma câmera de alta velocidade capaz de capturar até 150.000 quadros por segundo. A resolução permitiu capturar o perfil do pescoço com precisão, que analisamos para medir o raio e a forma à medida que evoluía.

Para criar os líquidos poliméricos, dissolvemos uma substância de alto peso molecular conhecida como polietileno óxido (PEO) em água, misturando com um agitador magnético por mais de 24 horas. A concentração dos polímeros foi variada para observar como isso influenciava o processo de fusão, particularmente notando mudanças na viscosidade e no tempo de relaxamento.

A viscosidade de cada solução foi medida usando um reômetro. Em concentrações mais baixas, a viscosidade permaneceu constante em relação à taxa de cisalhamento. No entanto, à medida que aumentamos a concentração em direção a um ponto crítico, as soluções começaram a exibir comportamento de cisalhamento-thinning, onde a viscosidade diminuía além de uma certa taxa de cisalhamento.

Para o tempo de relaxamento, realizamos experimentos de "pinch-off" onde observamos o fio formado durante a ruptura da gota. Diferente dos fluidos newtonianos que se quebram rapidamente, os fluidos poliméricos mostraram um atraso significativo devido ao estiramento dos polímeros. Durante esse atraso, um fio contínuo se formou, e sua espessura diminuiu exponencialmente com o tempo.

Para quantificar os efeitos viscoelásticos durante a fusão de bolhas, definimos uma escala de tempo chamada número de Deborah. Esse número ajuda a descrever como as tensões elásticas afetam o processo de fusão. Valores mais altos indicam um estiramento forte dos polímeros durante a fusão, enquanto valores mais baixos sugerem menor influência das propriedades viscoelásticas.

Quando comparamos o processo de fusão em água com o em soluções poliméricas, observamos que ambos os processos ocorrem dentro de escalas de tempo semelhantes. No início, o raio do pescoço cresce a uma taxa comparável, e a forma do pescoço permanece praticamente inalterada pelos polímeros dissolvidos. Somente nas fases posteriores da fusão que as propriedades da solução polimérica começam a mostrar efeito, fazendo com que a curvatura do pescoço relaxe mais lentamente.

A forma do pescoço em várias etapas da fusão também é notável. Embora os Pescoços formados tanto em água quanto em soluções poliméricas sejam inicialmente semelhantes, os perfis começam a divergir à medida que a fusão avança. A curvatura do pescoço muda de côncava para convexa, ilustrando como as propriedades do líquido ao redor influenciam a forma final.

Ao examinar a evolução do raio do pescoço, descobrimos que o crescimento do raio do pescoço segue um padrão previsível que não muda muito com diferentes concentrações de polímeros. Em contraste, a curvatura do pescoço, que medimos, mostrou comportamentos diferentes com base no fluido ao redor.

No geral, nossas descobertas levam à conclusão de que, embora as dinâmicas durante as fases iniciais da fusão de bolhas permaneçam em grande parte inalteradas, a presença de polímeros introduz atrasos e modificações interessantes no comportamento do fluxo à medida que as bolhas continuam a se fundir. Esses insights destacam as complexidades dos processos de fusão em fluidos viscoelásticos e suas implicações para processos naturais e industriais.

Ao compararmos a dinâmica da fusão de bolhas com a das gotas, notamos diferenças significativas nas influências dos polímeros dissolvidos. Enquanto a dinâmica da fusão de bolhas permaneceu consistente entre as soluções poliméricas, a fusão de gotas foi significativamente afetada pela elasticidade desde o início.

Em resumo, esta pesquisa revela as maneiras sutis que os polímeros afetam a dinâmica da fusão de bolhas. Entender esses efeitos é importante para inúmeras aplicações, destacando a importância de estudar tais processos em diferentes tipos de líquido.