Student löst 100 Jahre altes Physikrätsel

Ein Student in der Schweiz hat ein 100 Jahre altes physikalisches Rätsel gelöst: Warum steckt eine Luftblase in einem engen, vertikalen Rohr mit Flüssigkeit fest anstatt aufzusteigen? Der Forscher konnte das Phänomen extrem präzise vermessen und so erklären, was dabei vor sich geht.

Physik im Alltag: Im Mineralwasser mit Kohlensäure steigen die Luftbläschen an die Oberfläche. Dieses Phänomen lässt sich mit den Gesetzen der klassischen Physik leicht erklären. Aber warum bleibt eine Luftblase bewegungslos, wenn sie sich in einer Röhre mit wenigen Millimetern Durchmesser befindet?

Die Mechanismen hinter diesem Phänomen, das vor 100 Jahren erstmals beschrieben wurde, sind bis heute rätselhaft. Eigentlich sollte die Blase nicht auf Widerstand stoßen und einfach aufsteigen; es sei denn, die Flüssigkeit ist in Bewegung, schrieb die Westschweizer Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne (französische Abkürzung: EPFL) in einer Mitteilung vom Montag.

Vor fast 60 Jahren versuchte der Wissenschafter Francis Bretherton, dieses Phänomen zu erklären, indem er sich auf die Form der Blase fokussierte. Andere Theoretiker haben argumentiert, dass der Grund für das Feststecken der Blase in einem ultradünnen Flüssigkeitsfilm liegt, der sich zwischen der Blase und der Innenwand des Rohrs befindet. Keine dieser Theorien erklärt jedoch die beteiligten Mechanismen vollständig.

Wassim Dhaouadi, Bachelor-Student am Labor von John Kolinski an der EPFL, konnte erstmals die ultradünne Schicht zwischen der Blase und der Rohrwand beobachten, messen und ihre Eigenschaften beschreiben. Seine Ergebnisse veröffentlichten er und Kolinski im Fachjournal "Physical Review Fluids". Darin beschreiben die Forscher, dass die Blase nicht, wie bisher angenommen, tatsächlich im Rohr stecken bleibt, sondern sich extrem langsam bewegt. Eine Bewegung, die mit bloßem Auge nicht zu sehen ist.

Um die Flüssigkeitsschicht zu beobachten, die nur wenige Millionstel Millimeter misst, verwendeten Wassim Dhaouadi und John Kolinski ein sogenanntes interferometrisches Verfahren. Dabei wird Licht auf die Blase im Rohr gerichtet und die Intensität des reflektierten Lichts analysiert. Durch Analyse der Interferenz zwischen dem von der Innenfläche des Rohres reflektierten Licht und dem von der Blasenfläche reflektierten Licht konnten die Forscher die Schicht zwischen Blase und Rohroberfläche sehr präzise messen.

Relevant sind die Ergebnisse etwa auch für die Untersuchung von Phänomenen bei der Bewegung von Flüssigkeiten im Nanobereich, beispielsweise in biologischen Systemen, hielt die EPFL in der Mitteilung fest.