Исследование механизма образования аэрозолей из загрязнённых пузырей поможет понять распространение загрязнений и микропластика

Разрыв оболочки пузыря, покрытого маслом. Поверхностные волны вызывают выброс масла в виде аэрозольной струи. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.214001

Лопающиеся пузыри — явление, знакомое каждому ребёнку, но оно также играет ключевую роль в распространении загрязняющих веществ, микроорганизмов и даже инфекционных заболеваний через образование аэрозольных капель. Хотя процесс лопания пузырей в чистых веществах изучен достаточно хорошо, влияние загрязнений на эту динамику до сих пор оставалось малоисследованным.

Учёные из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне провели систематическое исследование аэрозольных струй, образующихся при разрыве поверхности загрязнённых пузырей. Лаборатория профессора машиностроения Цзе Фэна разработала модель, предсказывающую влияние загрязнений на размер струи, и подтвердила её экспериментально.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters и отмечено редакцией как «Выбор редакции».

«Пузыри естественным образом образуются или целенаправленно используются во многих природных и технологических процессах», — объясняет Фэн. — «Поднимаясь под действием силы Архимеда, они собирают на своей поверхности окружающие химические вещества, включая микропластик, биологические поверхностно-активные вещества, бактерии и вирусы. Эти загрязнители распространяются через струи жидкости и аэрозольные капли, образующиеся при разрыве пузырей на границе воздух-жидкость».

Когда оболочка пузыря разрывается, возникает механизм, при котором фокусировка поверхностных волн приводит к выбросу жидкости — так называемые струи Уортингтона. Хотя это явление изучается десятилетиями, значительный пробел в знаниях остаётся. Большинство исследований сосредоточено на пузырях с чистыми веществами, тогда как в реальных условиях чаще встречаются загрязнённые пузыри.

«Например, в водоочистных сооружениях, загрязнённых вирусами или бактериями, механическое перемешивание создаёт пузыри, которые поднимаются и собирают микроорганизмы на своей поверхности», — поясняет Фэн. — «При выходе в атмосферу и разрыве они распыляют мелкие капли, содержащие эти патогены».

Для моделирования загрязнённого пузыря исследователи использовали специальную систему коаксиальных отверстий, создающую пузыри в воде с последующим покрытием их силиконовым маслом. С помощью высокоскоростной камеры изучалось влияние свойств масла на характеристики струи.

Результаты показали, что размер аэрозольных капель зависит от толщины масляного слоя, его вязкости и поверхностного натяжения. Для объяснения этого поведения учёные разработали математическую модель, введя новый параметр — «модифицированное число Онезорге», учитывающее наличие масляного слоя.

Дальнейшие исследования планируется посвятить изучению коллективного лопания пузырей — более реалистичного сценария в природных условиях.

Дополнительная информация: Zhengyu Yang et al, Jet Size Prediction in Compound Multiphase Bubble Bursting, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.214001

Источник: University of Illinois Grainger College of Engineering