1.البحث في ديناميكيات عملية انتشار الفقاعات

يلعب انتشار الفقاعات على الأسطح الصلبة دورًا مهمًا في التطبيقات الطبيعية والصناعية، مثل تعويم المعادن والأسطح ذاتية التنظيف. في المراحل المبكرة من الانتشار، يتحرك خط الاتصال بسرعة وعلى نطاق صغير، مما يمثل تحديًا كبيرًا للبحث التجريبي. استخدم فريق بحثي من جامعة الصين للتعدين والتكنولوجيا تقنية الكاميرا عالية السرعة لتتبع عملية انتشار الفقاعات على المواد الصلبة المتجانسة (التيفلون والأكريليك والزجاج والفولاذ المقاوم للصدأ) والمواد الصلبة غير المتجانسة (الليغنيت والأنثراسايت)، ودراسة السلوك الديناميكي لانتشار الفقاعات ومراقبة أنماط تطور مورفولوجيا واجهة الغاز والسائل. (للحصول على التفاصيل، يرجى الرجوع إلى "البحث حول السلوك الديناميكي لعملية انتشار الفقاعات بناءً على ديناميكيات عالية السرعة")

2.الطريقة التجريبية

لمراقبة عملية الانتشار الديناميكي لفقاعة واحدة على سطح صلب بدقة، قام فريق البحث ببناء نظام تجريبي للتصور، كما هو موضح في الصورة 1. يتكون هذا النظام من خزان مراقبة، وتوليد فقاعات، والتقاط صور عالية السرعة، ومصدر ضوء. يتكون جزء التقاط الصور من كاميرا Revealer عالية السرعة متصلة بجهاز كمبيوتر.

الصورة 1- مخطط تخطيطي للنظام التجريبي

اضبط مضخة الحقن الدقيق لتوليد الفقاعات ببطء بمعدل 1 ميكرولتر/دقيقة، وحاول الحفاظ على الشكل والحجم الأوليين للفقاعة المنتشرة من خلال التحكم في المسافة بين طرف الإبرة والسطح الصلب. عندما تكون الفقاعة على وشك ملامسة السطح الصلب، أوقف حقن الغاز. بعد ملامسة الفقاعة للسطح الصلب، تنتشر تلقائيًا. يتم تسجيل عملية انتشار الفقاعة بالكامل بكاميرا عالية السرعة بسرعة التقاط تبلغ 9200 إطار في الثانية، ويتم تكرار كل تجربة ثلاث مرات. استخدم البرنامج لمعالجة الصور الملتقطة بواسطة الكاميرا عالية السرعة بشكل كمي للحصول على معلمات مثل طول L لخط ثلاثي الطور لانتشار الفقاعة على السطح الصلب، والعرض الأقصى W، وموضعها المقابل H.

3.التحليل التجريبي

1/3. عملية التصاق الفقاعات ونشرها

بعد توقف حقن الغاز، تلامس الفقاعة الموجودة في نهاية إبرة الفولاذ المقاوم للصدأ في خزان المياه ببطء الركيزة الصلبة تحت القصور الذاتي، يتبع ذلك سلوك انتشار. يوضح الشكل 2 عملية الاتصال والانتشار للفقاعات على الأسطح الصلبة المختلفة، حيث تمثل الخطوط الحمراء والخضراء خط الأساس للسطح الصلب وخط اتصال المركز الهندسي للفقاعة على التوالي. بعد اقتراب الفقاعة من السطح الصلب، تخضع أولاً لعملية تصريف سائل. عندما ينكسر الفيلم السائل بين الفقاعة والصلبة، تبدأ عملية توسع الخط ثلاثي الطور على الفور. يتم تحديد اللحظة التي تبدأ فيها الفقاعة في الانتشار على السطح الصلب على أنها t = 0ms. من الصورة 2، يمكن ملاحظة أن الفقاعات على ركائز التيفلون والفولاذ المقاوم للصدأ والأكريليك والزجاج تنتشر إلى مساحة أكبر في وقت قصير جدًا، ثم تصبح سرعة الانتشار بطيئة حتى تستقر.

الصورة 2- عملية الانتشار الديناميكي للفقاعات على الأسطح الصلبة المختلفة.

من الصورة 2(ad)، يمكن ملاحظة أنه مع انتشار الفقاعة على السطح الصلب المتجانس، في غضون t=0~15ms، يتمدد خط التلامس ثلاثي الطور بسرعة، وهي المرحلة المعروفة باسم مرحلة الانتشار السريع. بعد ذلك، تصبح حركة خط التلامس ثلاثي الطور بطيئة حتى يصل إلى أقصى تمدد، وهي المرحلة التي يشار إليها باسم مرحلة الانتشار البطيء. من الشكل 2(ef)، من الواضح أنه مقارنة بالعينات المتجانسة الأربع المذكورة أعلاه، يُظهر سطح عينة الفحم أطوال انتشار أقصر لخط ثلاثي الطور وأوقات انتشار أطول بشكل ملحوظ من العينات الأخرى. من الخطوط المنقطة الخضراء في الشكل 2(af)، من الواضح أن الموضع الهندسي لمركز الفقاعة على السطح الصلب المتجانس يتحرك تدريجيًا إلى الأعلى مع تمدد خط ثلاثي الطور، ويتطور شكل الفقاعة من تقريب كروي في البداية إلى شكل بيضاوي مع قطع الطرف العلوي. بالنسبة للمواد غير المتجانسة مثل الليجنيت والأنثراسايت، هناك تقلب طفيف في الموضع الهندسي لمركز الفقاعة، ولكن الشكل العام للفقاعة يظل كرويًا تقريبًا.

2/3. ديناميكيات انتشار الفقاعات

عندما يرق الغشاء السائل بين الفقاعة والسطح الصلب ويتمزق، يبدأ خط تماس ثلاثي الطور في التكون. وبسبب اختلال التوازن في التوتر السطحي، يتمدد خط تماس ثلاثي الطور باستمرار إلى الخارج، مما يؤدي إلى ظاهرة انتشار الطور الغازي وإزاحة السائل في الطور الصلب. وكلما كان خط تماس ثلاثي الطور أطول، زادت قدرة السطح الصلب على إزاحة السائل من الفقاعة. يظهر تطور طول انتشار الفقاعات L على الأسطح الصلبة المتجانسة المختلفة بمرور الوقت في الصورة 3.

الصورة 3 - تطور طول الخط ثلاثي المراحل (L) على سطح صلب متجانس بمرور الوقت (t)، مع رسم توضيحي مدرج يوضح رسمًا لوغاريتميًا مزدوجًا.

من الصورة أعلاه، يمكن ملاحظة أن عملية حركة الخط ثلاثي الطور تتضمن مرحلتين: ① مرحلة الانتشار السريع (t ≤ 15 مللي ثانية)، حيث تظهر عملية انتشار الفقاعات على الأسطح الصلبة المختلفة سلوكًا عالميًا متشابهًا ذاتيًا، مما يعني أن خط التلامس ثلاثي الطور يتمدد إلى طول أكبر في وقت قصير جدًا بعد كسر الفيلم السائل، وهذه العملية مستقلة عن الظروف الأولية للسطح الصلب؛ ② مرحلة الانتشار البطيء (t> 15 مللي ثانية)، حيث بسبب الاختلافات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية مثل مورفولوجيا السطح الصلب وتكوينه الكيميائي وبنيته الدقيقة وقابليته للبلل، فإن عملية انتشار الفقاعات لها خصائصها الخاصة. يكون طول الانتشار النهائي للخط ثلاثي الطور بالترتيب التالي: تفلون > فولاذ مقاوم للصدأ > زجاج شبكي > زجاج.

الصورة 4 - تطور طول الخط ثلاثي المراحل (L) على أسطح الليجنيت والأنثراسايت بمرور الوقت (t)، مع الشكل المدرج الذي يوضح رسمًا لوغاريتميًا مزدوجًا.

يظهر تطور طول خط الانتشار ثلاثي الطور L على أسطح الليجنيت والأنثراسايت بمرور الوقت في الصورة 4. يُظهر منحنى تطور طول خط الانتشار ثلاثي الطور على سطح الليجنيت اختلافات كبيرة مقارنة بالمواد الصلبة المتجانسة، في حين أن نمط تطور طول خط الانتشار ثلاثي الطور على سطح الأنثراسايت أقرب إلى نمط المواد الصلبة المتجانسة. يكون طول خط الانتشار ثلاثي الطور النهائي للفقاعات التي تنتشر بثبات على أسطح الليجنيت والأنثراسايت أقصر بحوالي 50% من متوسط المواد الصلبة المتجانسة. بعد تجارب متكررة متعددة، تُظهر حركة خط الانتشار ثلاثي الطور على سطح الليجنيت خصائص تقلب متعددة. يشير هذا إلى أن وقت انتشار الفقاعات على أسطح الليجنيت والأنثراسايت أكبر بمقدار مرتبتين على الأقل من الوقت على سطح المواد الصلبة المتجانسة، وأن الفقاعات على سطح الليجنيت تتمتع بتقلب أكبر أثناء مرحلة الانتشار البطيء.

الصورة 5- زوايا اتصال ظاهرية مختلفة للسطح الصلب

كما هو موضح في الصورة 5، فإن زوايا التلامس الظاهرة على الأسطح الصلبة هي كما يلي: تفلون > أنثراسايت > فولاذ مقاوم للصدأ > زجاج شبكي > زجاج > ليجنيت. تتبع زوايا التلامس لقطرات السائل على أربعة أسطح صلبة متجانسة نفس نمط طول انتشار الخط ثلاثي الطور، وتتوافق زوايا التلامس لليجنيت والأنثراسايت غير المتجانسين أيضًا مع أطوال انتشار الخط ثلاثي الطور. يشير هذا إلى أن قابلية البلل هي عامل مهم يؤثر على عملية انتشار الفقاعات على الأسطح الصلبة.

يتم تحديد قابلية سطح صلب للبلل من خلال مورفولوجياته المجهرية وتركيبته الكيميائية. كما هو موضح في الصورة 6(أ)، على سطح صلب أملس ومتجانس، تقوم الفقاعة أولاً بإزاحة الفيلم السائل بين الغاز والصلب، وبعد تمزق الفيلم السائل، يتمدد خط التلامس ثلاثي الطور تدريجيًا بشكل متماثل إلى الخارج حتى تنتهي عملية الانتشار.

الأسطح الصلبة غير المتجانسة مثل الليجنيت والأنثراسايت خشنة ومتشققة، وعند غمرها في الماء، تتواجد فقاعات دقيقة ونانوية الحجم على السطح أو داخل المسام، كما هو موضح في الصورة 6 (ب). مع استمرار رقة الفيلم السائل بين الفقاعة وسطح عينة الفحم، فقد تندمج الفقاعة مع فقاعات أصغر في السطح أو الشقوق، مما يؤثر على حركة الخط ثلاثي الطور. قد يكون هذا أيضًا سبب الزيادة الطفيفة في مساحة الفقاعات على سطح الليجنيت المذكورة سابقًا. علاوة على ذلك، يؤدي خليط المواد العضوية وغير العضوية على سطح عينة الفحم إلى مواقع مختلفة محبة للماء / كارهة للماء، وتسبب تضاريس السطح غير المستوية خشونة غير موحدة، مما يؤدي إلى تأثيرات تثبيت أثناء حركة الخط ثلاثي الطور، مما يؤدي إلى حركة غير متماثلة. لذلك، يمكن استنتاج أن التأثيرات المجمعة للتثبيت على سطح عينة الفحم واندماج الفقاعات تختلف بشكل كبير عن أنماط حركة الخط ثلاثي الطور على سطح صلب متجانس.

3/3. تشوه واجهة الغاز والسائل أثناء عملية الانتشار

الصورة 7- تطور الحد الأقصى لعرض الفقاعات (W) والمواضع المقابلة (H) أثناء عملية الانتشار.

مع توسع الخط ثلاثي الطور، سيتغير كل من مخطط ومركز الفقاعة الهندسي، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى التفاعل بين الطور الغازي والسائل. يتغير الحد الأقصى لعرض الفقاعة W المنتشرة على سطح صلب متجانس ديناميكيًا مع الوقت، كما هو موضح في الصورة 7 (أ). عندما تبدأ الفقاعة في الانتشار بسرعة على السطح الصلب، ينخفض الحد الأقصى للعرض W فجأة. يمكن ملاحظة منطقة مقعرة واضحة في الصورة 7 (أ) بعد أن تبدأ الفقاعة في الانتشار، مما يتوافق مع الزيادة السريعة في طول الخط ثلاثي الطور أثناء الانتشار. بعد أن يصل W إلى أدنى نقطة له، تنتهي عملية الانتشار السريع، تليها مرحلة انتشار بطيئة. أثناء مرحلة الانتشار البطيئة، يزداد الحد الأقصى للعرض W تدريجيًا إلى قيمة مستقرة. على الأسطح الزجاجية والأكريليكية، يصل W بسرعة إلى التوازن ويكون الاختلاف النهائي في W صغيرًا، بينما على الأسطح المصنوعة من التيفلون والفولاذ المقاوم للصدأ، يستغرق الأمر وقتًا أطول حتى يصل W إلى التوازن ويكون الاختلاف النهائي في W أكبر. يشير تطور الحد الأقصى لعرض الفقاعة W إلى أن الخط ثلاثي المراحل يتحرك مع إعادة توزيع السائل داخل الفقاعة.

يظهر تطور الحد الأقصى لعرض الفقاعات W أثناء عملية الانتشار الديناميكي للليغنيت والأنثراسايت في الصورة 7 (ب). يُظهر الحد الأقصى لعرض الفقاعات W على سطح عينة الفحم أثناء عملية إزالة الرطوبة تقلبات، ولكنه يُظهر عمومًا اتجاهًا تصاعديًا. قد يكون هذا مرتبطًا بالبنية الكيميائية والشكل الدقيق للسطح الصلب. فكلما انخفضت رتبة الفحم، زادت خشونة السطح، وعند غمره في الماء، توجد فقاعات نانوية دقيقة أكثر في أخاديد السطح والغازات الممتصة في المسام. عندما تندمج فقاعات النانو الدقيقة السطحية مع فقاعات الانتشار، فقد يؤدي هذا إلى زيادة حجم الفقاعات، مما يؤثر على عرضها. وبالتالي، فإن عدم تجانس البنية الفيزيائية أو الكيميائية لسطح الفحم يسبب عدم الاستقرار في أوسع جزء من الفقاعات أثناء حركة الخط ثلاثي الطور.

أثناء عملية توسع الخط ثلاثي الطور، يعكس العرض الأقصى W الخصائص الجانبية للفقاعة. من أجل استكشاف الخصائص الطولية للفقاعة، يتم تعريف موضع الفقاعة H على أنه المسافة بين نقطة العرض الأقصى وخط الأساس الصلب. بالنسبة للمواد الصلبة المتجانسة، يتناقص موضع الفقاعة H بشكل حاد مع مرور الوقت قبل أن ينخفض تدريجيًا إلى قيمة مستقرة، والتي تتوافق مع أنماط التغيير لطول الخط ثلاثي الطور L والعرض الأقصى W للفقاعة. على أسطح الليجنيت والأنثراسايت، تكون التغييرات في موضع الفقاعة H بمرور الوقت أقل وضوحًا، حيث تُظهر عمومًا انخفاضًا بطيئًا متقلبًا بسعة صغيرة. كما هو موضح في الصورة 8، من خلال استخراج خط محيط الفقاعة باستخدام برنامج، يمكن ملاحظة حدسيًا أنه مع توسع الخط ثلاثي الطور، يتحرك موضع الفقاعة H تدريجيًا لأعلى نحو السطح الصلب، مع أكبر حركة تصاعدية على أسطح التيفلون والفولاذ المقاوم للصدأ، وأقلها على أسطح الليجنيت والأنثراسايت.

يتغير التفاعل عند واجهة الغاز والسائل مع انتشار الخط ثلاثي الطور، وهو ما يرتبط ارتباطًا وثيقًا بخصائص البلل للسطح الصلب. فكلما زادت قوة كراهية السطح الصلب للماء، كان فيلم الترطيب أكثر استقرارًا، وزادت قدرته على التمدد، وزادت إزاحة فيلم السائل، وبالتالي زاد انتشار الخط ثلاثي الطور وزاد تشوه واجهة الغاز والسائل. ومع ذلك، فإن الأسطح الصلبة غير المتجانسة لها مواقع مختلفة محبة للماء وكارهة للماء واختلافات بنيوية دقيقة محلية كبيرة، مما يؤدي إلى أنماط معقدة في حركة الخط ثلاثي الطور وتطور واجهة الغاز والسائل.

4. الاستنتاجات التجريبية

(1) أثناء عملية انتشار الفقاعات، يخضع الخط ثلاثي المراحل بشكل أساسي لمراحل انتشار سريعة وبطيئة. تظهر مرحلة الانتشار السريع خصائص سلوكية متشابهة ذاتيًا، بينما تتأثر المرحلة البطيئة بخصائص مثل مورفولوجيا السطح الصلب والتركيب الكيميائي والبنية الدقيقة وقابلية البلل.

(2) إن قابلية السطح الصلب للبلل هي عامل مهم يؤثر على سلوك انتشار الفقاعات. إن قابلية سطح عينة الفحم للبلل غير المنتظم هي السبب الأساسي وراء اختلاف سلوك انتشار الفقاعات بشكل كبير عن سلوك المواد الصلبة المتجانسة. إن طول انتشار الخط ثلاثي الطور على أسطح عينة الفحم أقصر بحوالي 50% من طوله على المواد الصلبة المتجانسة، ووقت الانتشار أكبر بمقدار مرتبتين على الأقل.

(3) بالنسبة للأسطح الصلبة المتجانسة، تتبع مرحلة الانتشار السريع للخط ثلاثي الطور نموذج قانون القوة مع الأس b = 1/2، الذي تهيمن عليه قوى التوتر السطحي والقوى القصورية؛ تتبع مرحلة الانتشار البطيئة نموذج قانون القوة مع الأس b = 1/10، الذي تهيمن عليه قوى التوتر السطحي والقوى اللزجة. بالنسبة لأسطح عينات الفحم، تتوافق مرحلة الانتشار السريع للخط ثلاثي الطور أيضًا مع نموذج قانون القوة مع الأس b = 1/2.

(4) مع توسع الخط ثلاثي الطور، يتسبب التفاعل بين الطور الغازي والسائل في حدوث تغييرات في واجهة الغاز والسائل، وخاصة على الأسطح الصلبة المتجانسة. ينتج سطح عينة الفحم، بسبب التباين البنيوي الفيزيائي أو الكيميائي، تأثيرات تكامل الغاز والتثبيت، مما يتسبب في تقلبات صغيرة النطاق في واجهة الغاز والسائل.

5. الخاتمة

استخدمت هذه التجربة كاميرا عالية السرعة لتصور عملية انتشار الفقاعات، وفحص تأثير خصائص السطح الصلب على سلوك انتشار الفقاعات، والتحقيق في آلية حركة الخط ثلاثي الطور وقواعد تطور مورفولوجيا واجهة الغاز والسائل. وهذا يضع الأساس النظري لفهم أعمق لعمليات التصاق الجسيمات بالفقاعات واستقرار هياكل واجهة الجسيمات والفقاعات.