Pol milijona evrov za ouzo in mehurčke
Pogovarjali smo se z dr. Detlefom Lohsejem, strokovnjakom za dinamiko tekočin, dobitnikom Balzanove nagrade za leto 2018.
Odpri galerijo
Izhlapevanje je hitrejše na robu kapljice. FOTO: Marcos Brindicci/Reuters
Dinamika tekočin, ki obravnava gibanje kapljevin in plinov, je močno napredovala, odkar je pred 280 leti švicarski znanstvenik Daniel Bernoulli dognal temeljne zakonitosti tega znanstvenega področja. Sestavljata ga aerodinamika, proučevanje gibanja zraka in drugih plinov, in hidrodinamika, proučevanje gibanja kapljevin, vsekakor pa je dinamika tekočin veda, »katere pomena za človeštvo skorajda ni mogoče oceniti«, nam je v pogovoru v Rimu dejal prof. dr. Detlef Lohse.
Človek ter vse naše notranje in zunanje okolje so sistemi, ki so daleč od konstantnega ravnotežja, nas je spomnil sogovornik. Starogrški izrek panta rhei (vse teče) velja za oceane, pa tudi za delo človeških rok, kot so naftovodi, elektrarne, letala, avtomobili, ladje ... Tudi krvni obtok in drugi procesi v organizmu so pojavi, s katerimi se ukvarja dinamika tekočin, prav tako je prisotna skoraj povsod v vsakdanjem življenju. To znanstveno področje je lep primer multidisciplinarnosti, saj zajema tako različne vede, kot so fizika, geofizika, strojništvo, kemijski inženiring, uporabna matematika in računalništvo. Obravnava pojave različnih velikostnih razredov, od tistih na nanoskali do astrofizikalnih razsežnosti. »Pri dinamiki tekočin mi je še posebno všeč, da se v njej prepletajo poskusi, teorija in numerične simulacije, tako da je probleme mogoče rešiti samo s kombinacijo teh metod,« pravi Lohse.
Seveda, Edgerton je bil eden od pionirjev snemanja s kratko ekspozicijo. Izziv pri tem je dobiti ostro sliko v razmeroma kratkem času, ko je objektiv odprt. Snemanje s kratko ekspozicijo je že pred Edgertonom pomagalo rešiti nekatera vprašanja, na primer to, da ima konj v galopu občasno v zraku vse štiri noge. Pravo revolucijo pa zelo hitre kamere doživljajo od 90. let. To nam ob izjemnih računalniških zmogljivostih zelo pomaga pri simulacijah, o katerih pred desetimi leti nismo mogli niti sanjati. Prav tako uporabljamo drugo novo opremo, na primer različne vrste napredne mikroskopije. Z vsem tem napredkom se zmanjšuje razkorak med tistim, kar je merljivo, in tistim, kar je ab initio mogoče simulirati. Na mojem predavanju ste videli, da lahko snemamo tudi z ekspozicijo vsega nekaj nanosekund. Rezultat so precej ostre slike hitrih procesov. Med drugim imamo sistem 128 kamer, ki snemajo s hitrostjo zaklopa 1/25.000.000 sekunde. Vsaka naredi zaporedje osmih posnetkov, tako da moramo analizirati veliko količino podatkov. Ozko grlo je odčitavanje podatkov.
Vsekakor. Lahko vam povem primer: gotovo poznate grško žgano pijačo ouzo ali pa francoski pastis, turški raki in še kakšno pijačo z janežem. Pri vseh so glavne sestavine janeževo olje, alkohol in voda, vse so prozorne. Ouzo je prozoren, ker je olje v prisotnosti alkohola mnogo bolj topno kot tam, kjer alkohola ni. Če ouzo zmešate z vodo, pa postane mlečno bel. Ni več prozoren, ker pride do nukleacije kapljic olja. Ko v ouzo dodate vodo, se koncentracija alkohola zmanjša, z njo pa tudi topnost olja; vsa tekočina postane prenasičena in olje v njej tvori drobne kapljice, ki rastejo. Ta pojav je zelo pomemben v kemijskem inženirstvu, pri proizvodnji hrane in kozmetike ter nenazadnje tudi v medicinski diagnostiki.
Nismo ga popili, ampak smo kapljice nanesli na mizo in opazovali, kako hlapijo. Izhlapevanje je hitrejše na robu kapljice. Nato smo ugotovili, da v nekem trenutku koncentracija alkohola postane tako nizka, da ostanejo samo kapljice olja, hkrati pa z izhlapevanjem alkohola nastaja gradient površinske napetosti med robom in sredino kapljice. Nastaja sila od vrha kapljice proti robu, ki povzroči gibanje, imenovano Marangonijev pojav. Najprej je kapljica ouza prozorna, sledi pa faza, ko je tekočina bela in se premika. To premikanje lahko vidite s prostim očesom in traja nekaj minut. Ko alkohol izhlapi, ostaneta v glavnem olje in voda. Takrat sta spojeni večja kapljica olja in na njej manjša kapljica vode. Ko izhlapi še ta, ostane kapljica olja, ki je samo ena sedemdesetina prvotne prostornine. Vse to traja petnajst minut, v tem času vidite štiri različne faze, s štirimi različnimi vizualnimi izrazi, v eni sami kapljici ouza.
Vse to seveda opazujemo in opisujemo tudi znanstveno. Primer, ki sem ga navedel, ni pomemben samo za industrijo in medicino, ampak tudi za pojasnjevanje fizikalnih procesov. Nenazadnje so takšni primeri odlični za univerzitetni pouk. Študente pritegnejo, da poskus osmislijo, na njegovi podlagi izdelajo znanstveni model in primerjajo rezultate modela z meritvami. V nasprotju z nekaterimi drugimi področji fizike imate pri nas edinstveno možnost povezovanja poskusov in temeljne znanosti. Vsi naši študentje in doktorandi dobivajo po več ponudb za zaposlitev. Veliko jih lahko ostane tudi v akademskem okolju.
Temeljni znanstveni napredek pričakujem v raziskovanju večfaznega toka večkomponentnih tekočinskih sistemov. Primer ouza je eden od njih, ima tri komponente in več faz. Skladiščenje ogljikovega dioksida je prav tako eden od pomembnih večkomponentnih in večfaznih procesov. Elektroliza in kataliza sta v istem razredu problemov. Na primer, kadar z elektrolizo pridobite vodik, nastajajo mehurčki, nato pride do nukleacije, tako da se postavlja vprašanje njihove interakcije s površino: ali bodo takrat, ko sedejo na površino, blokirali elektrolitično ali katalitično aktivnost? Vprašanje je, kako ti mehurčki nastajajo. Denar od Balzanove nagrade nameravam vložiti v raziskave v tej smeri.
Še nekaj o mehurčkih: upor, ki nastaja v vodi, po kateri pluje ladja, lahko z njimi zmanjšamo. To storimo tako, da z zračnimi mehurčki od zunaj »podmazujemo« kobilico. Na ta način se zmanjšuje upor vode in posledično tudi poraba goriva.
To ni daleč od resničnosti. Zdaj že delamo za neko nizozemsko podjetje, ki testira ladje. Sodeluje z več ladjedelnicami, od katerih so nekatere specializirane za športna plovila.
Eno takšnih področij je medicinska diagnostika. V organizem lahko vbrizgamo mehurčke za razpršitev zvoka v ultrazvočni diagnostiki. Tako je mogoče bolje spremljati tokove v telesu. Pred dobrima dvema desetletjema, preden sem prišel v Twente, sem to proučeval s sodelavci. Objavili smo delo Odziv mehurčkov na diagnostični ultrazvok: enoten teoretični pristop. Zdaj se ne posvečam več toliko temu področju, nekateri kolegi pa nadaljujejo razvoj.
Človek ter vse naše notranje in zunanje okolje so sistemi, ki so daleč od konstantnega ravnotežja, nas je spomnil sogovornik. Starogrški izrek panta rhei (vse teče) velja za oceane, pa tudi za delo človeških rok, kot so naftovodi, elektrarne, letala, avtomobili, ladje ... Tudi krvni obtok in drugi procesi v organizmu so pojavi, s katerimi se ukvarja dinamika tekočin, prav tako je prisotna skoraj povsod v vsakdanjem življenju. To znanstveno področje je lep primer multidisciplinarnosti, saj zajema tako različne vede, kot so fizika, geofizika, strojništvo, kemijski inženiring, uporabna matematika in računalništvo. Obravnava pojave različnih velikostnih razredov, od tistih na nanoskali do astrofizikalnih razsežnosti. »Pri dinamiki tekočin mi je še posebno všeč, da se v njej prepletajo poskusi, teorija in numerične simulacije, tako da je probleme mogoče rešiti samo s kombinacijo teh metod,« pravi Lohse.
Detlef Lhose FOTO: Osebni Arhiv
Detlef Lohse
Leta 1963 v Hamburgu rojeni znanstvenik je v domovini magistriral iz jedrske fizike in doktoriral iz teorije popolnoma razvite turbulence, nato pa se kot podoktorski raziskovalec v Chicagu poleg nadaljnjega proučevanja turbulenc začel ukvarjati s sonoluminiscenco. Habilitiral je leta 1997 v Marburgu in leto kasneje postal vodja katedre za fiziko tekočin na univerzi Twente. Tam je zasnoval prvi in doslej edini inštitut Maxa Plancka na Nizozemskem, za kompleksno dinamiko tekočin. Redno sodeluje z inštitutom Maxa Plancka v Göttingenu, prav tako je profesor in častni vodja katedre za dinamiko tekočin in strojništvo na pekinški univerzi Tsinghua. Je dobitnik več mednarodnih znanstvenih nagrad, zadnja v nizu priznanj je Balzanova nagrada, vredna kar 750.000 švicarskih frankov, ki jo je jeseni prejel od predsednika Italije v najstarejši delujoči akademiji znanosti na svetu, rimski Nacionalni akademiji dei Lincei. Ta mesec bo prejel medaljo Maxa Plancka za leto 2019.
Leta 1963 v Hamburgu rojeni znanstvenik je v domovini magistriral iz jedrske fizike in doktoriral iz teorije popolnoma razvite turbulence, nato pa se kot podoktorski raziskovalec v Chicagu poleg nadaljnjega proučevanja turbulenc začel ukvarjati s sonoluminiscenco. Habilitiral je leta 1997 v Marburgu in leto kasneje postal vodja katedre za fiziko tekočin na univerzi Twente. Tam je zasnoval prvi in doslej edini inštitut Maxa Plancka na Nizozemskem, za kompleksno dinamiko tekočin. Redno sodeluje z inštitutom Maxa Plancka v Göttingenu, prav tako je profesor in častni vodja katedre za dinamiko tekočin in strojništvo na pekinški univerzi Tsinghua. Je dobitnik več mednarodnih znanstvenih nagrad, zadnja v nizu priznanj je Balzanova nagrada, vredna kar 750.000 švicarskih frankov, ki jo je jeseni prejel od predsednika Italije v najstarejši delujoči akademiji znanosti na svetu, rimski Nacionalni akademiji dei Lincei. Ta mesec bo prejel medaljo Maxa Plancka za leto 2019.
Profesor Lohse, znak vaše skupine za fiziko tekočin na univerzi Twente, risba, ki spominja na kraljevsko krono in prikazuje kapljico tekočine, ko pade na trdo podlago, me je spomnil na znano makrofotografijo padca kapljice mleka na mizo, ki jo je v 50. letih s stroboskopsko kamero naredil Harold Edgerton, profesor na Mitu. Hitre kamere so očitno koristen pripomoček tudi pri vašem raziskovanju dinamike tekočin.
Seveda, Edgerton je bil eden od pionirjev snemanja s kratko ekspozicijo. Izziv pri tem je dobiti ostro sliko v razmeroma kratkem času, ko je objektiv odprt. Snemanje s kratko ekspozicijo je že pred Edgertonom pomagalo rešiti nekatera vprašanja, na primer to, da ima konj v galopu občasno v zraku vse štiri noge. Pravo revolucijo pa zelo hitre kamere doživljajo od 90. let. To nam ob izjemnih računalniških zmogljivostih zelo pomaga pri simulacijah, o katerih pred desetimi leti nismo mogli niti sanjati. Prav tako uporabljamo drugo novo opremo, na primer različne vrste napredne mikroskopije. Z vsem tem napredkom se zmanjšuje razkorak med tistim, kar je merljivo, in tistim, kar je ab initio mogoče simulirati. Na mojem predavanju ste videli, da lahko snemamo tudi z ekspozicijo vsega nekaj nanosekund. Rezultat so precej ostre slike hitrih procesov. Med drugim imamo sistem 128 kamer, ki snemajo s hitrostjo zaklopa 1/25.000.000 sekunde. Vsaka naredi zaporedje osmih posnetkov, tako da moramo analizirati veliko količino podatkov. Ozko grlo je odčitavanje podatkov.
Če sodimo po videogradivu na spletni strani vaše raziskovalne skupine, so vaše raziskave zanimive tudi za širšo javnost.
Vsekakor. Lahko vam povem primer: gotovo poznate grško žgano pijačo ouzo ali pa francoski pastis, turški raki in še kakšno pijačo z janežem. Pri vseh so glavne sestavine janeževo olje, alkohol in voda, vse so prozorne. Ouzo je prozoren, ker je olje v prisotnosti alkohola mnogo bolj topno kot tam, kjer alkohola ni. Če ouzo zmešate z vodo, pa postane mlečno bel. Ni več prozoren, ker pride do nukleacije kapljic olja. Ko v ouzo dodate vodo, se koncentracija alkohola zmanjša, z njo pa tudi topnost olja; vsa tekočina postane prenasičena in olje v njej tvori drobne kapljice, ki rastejo. Ta pojav je zelo pomemben v kemijskem inženirstvu, pri proizvodnji hrane in kozmetike ter nenazadnje tudi v medicinski diagnostiki.
Med drugim imamo sistem 128 kamer, ki snemajo s hitrostjo zaklopa 1/25.000.000 sekunde.
Kaj ste še naredili z ouzom?
Nismo ga popili, ampak smo kapljice nanesli na mizo in opazovali, kako hlapijo. Izhlapevanje je hitrejše na robu kapljice. Nato smo ugotovili, da v nekem trenutku koncentracija alkohola postane tako nizka, da ostanejo samo kapljice olja, hkrati pa z izhlapevanjem alkohola nastaja gradient površinske napetosti med robom in sredino kapljice. Nastaja sila od vrha kapljice proti robu, ki povzroči gibanje, imenovano Marangonijev pojav. Najprej je kapljica ouza prozorna, sledi pa faza, ko je tekočina bela in se premika. To premikanje lahko vidite s prostim očesom in traja nekaj minut. Ko alkohol izhlapi, ostaneta v glavnem olje in voda. Takrat sta spojeni večja kapljica olja in na njej manjša kapljica vode. Ko izhlapi še ta, ostane kapljica olja, ki je samo ena sedemdesetina prvotne prostornine. Vse to traja petnajst minut, v tem času vidite štiri različne faze, s štirimi različnimi vizualnimi izrazi, v eni sami kapljici ouza.
Vse to seveda opazujemo in opisujemo tudi znanstveno. Primer, ki sem ga navedel, ni pomemben samo za industrijo in medicino, ampak tudi za pojasnjevanje fizikalnih procesov. Nenazadnje so takšni primeri odlični za univerzitetni pouk. Študente pritegnejo, da poskus osmislijo, na njegovi podlagi izdelajo znanstveni model in primerjajo rezultate modela z meritvami. V nasprotju z nekaterimi drugimi področji fizike imate pri nas edinstveno možnost povezovanja poskusov in temeljne znanosti. Vsi naši študentje in doktorandi dobivajo po več ponudb za zaposlitev. Veliko jih lahko ostane tudi v akademskem okolju.
Upor ladje pri plovbi lahko zmanjšamo z mikromehurčki, tako da z njimi »podmazujemo« kobilico.
Kje v dinamiki tekočin pričakujete največje preboje?
Temeljni znanstveni napredek pričakujem v raziskovanju večfaznega toka večkomponentnih tekočinskih sistemov. Primer ouza je eden od njih, ima tri komponente in več faz. Skladiščenje ogljikovega dioksida je prav tako eden od pomembnih večkomponentnih in večfaznih procesov. Elektroliza in kataliza sta v istem razredu problemov. Na primer, kadar z elektrolizo pridobite vodik, nastajajo mehurčki, nato pride do nukleacije, tako da se postavlja vprašanje njihove interakcije s površino: ali bodo takrat, ko sedejo na površino, blokirali elektrolitično ali katalitično aktivnost? Vprašanje je, kako ti mehurčki nastajajo. Denar od Balzanove nagrade nameravam vložiti v raziskave v tej smeri.
Še nekaj o mehurčkih: upor, ki nastaja v vodi, po kateri pluje ladja, lahko z njimi zmanjšamo. To storimo tako, da z zračnimi mehurčki od zunaj »podmazujemo« kobilico. Na ta način se zmanjšuje upor vode in posledično tudi poraba goriva.
Ali lahko s tem morda zaslovite na jadralskem tekmovanju za pokal Amerike?
To ni daleč od resničnosti. Zdaj že delamo za neko nizozemsko podjetje, ki testira ladje. Sodeluje z več ladjedelnicami, od katerih so nekatere specializirane za športna plovila.
V opisih raziskav pogosto omenjate medicino kot področje uporabe vaših odkritij.
Eno takšnih področij je medicinska diagnostika. V organizem lahko vbrizgamo mehurčke za razpršitev zvoka v ultrazvočni diagnostiki. Tako je mogoče bolje spremljati tokove v telesu. Pred dobrima dvema desetletjema, preden sem prišel v Twente, sem to proučeval s sodelavci. Objavili smo delo Odziv mehurčkov na diagnostični ultrazvok: enoten teoretični pristop. Zdaj se ne posvečam več toliko temu področju, nekateri kolegi pa nadaljujejo razvoj.
