Seifenblasen machen allen Spaß. Aber es stellt sich heraus, dass sie auch kleine Bedrohungen sein können.
Wenn eine Blase platzt, kann sie alle daran haftenden Partikel konzentrieren und zerstäuben. Keine große Sache, wenn es eine im Laden gekaufte Seifenblase ist, die im Garten oder an Ihrer Hand platzt.
Aber es ist ein großes Problem, wenn die Partikel, die es trägt, potenziell gefährlich sind: Blasen, die von einer brechenden Welle erfasst werden, können verdampftes Mikroplastik in die Luft schleudern, wo es die Erdatmosphäre durcheinander bringen könnte; Blasen, die durch eine Toilettenspülung platzen, können Bakterienzähler und auf nahegelegene Oberflächen schleudern; Ein schäumender Whirlpool auf einem Kreuzfahrtschiff erwies sich einst als Superverbreiter der Legionärskrankheit.
Jetzt zeigt eine neue Studie von Ingenieuren der Boston University, warum Blasen einige Schadstoffe in die Luft schleudern, während andere harmlos absinken. Nachdem sie sich genau angesehen hatten, was passiert, wenn Blasen platzen, fanden die Forscher einen neuen Weg, um vorherzusagen, welche Partikel hochgeschleudert werden – und welche fallen – und überholten eine 40 Jahre alte Theorie der Fluiddynamik. Ihre Ergebnisse, die in veröffentlicht wurden Briefe zur körperlichen Überprüfungkönnte Wissenschaftlern helfen, die Meeresverschmutzung zu verfolgen oder die Übertragbarkeit eines Virus genauer vorherzusagen.
„Mit dieser neuen Theorie können wir potenzielle Schadstoffquellen im Ozean besser modellieren oder wie andere Partikel im Ozean in die Atmosphäre gelangen und als Wolkenkondensationskerne das Klima verändern können“, sagt Lena Dubitsky, Doktorandin in der BU Fluid Lab und gemeinsamer Hauptautor des Papiers. „In Bezug auf die öffentliche Gesundheit hilft dieses Modell vorherzusagen, welche Tropfengröße die meisten Krankheitserreger enthalten könnte.“
Und das kann entscheidend dafür sein, wie leicht sich eine Krankheit ausbreiten kann oder ob ein kleiner Tropfen ein Virus durch die Abwehrkräfte schleichen kann, die unsere unteren Atemwege schützen.
Im einfachsten Fall sind Blasen eine dünne Flüssigkeitsschicht, die ein Gas umgibt. Die Seifenblasen, die Kinder gerne aufblasen, sind zum Beispiel eine Wasserschicht, die zwischen zwei Schichten von Seifenmolekülen eingeschlossen ist, mit Luft in der Mitte.
Die BU-Forscher nahmen dieses Filmmaterial einer millimetergroßen Blase an einer Flüssigkeitsoberfläche auf, die platzte und drei Strahltropfen erzeugte – sie waren auf den ersten oder obersten Tropfen fokussiert. Bildnachweis: Boston University
Wenn Sie in die Blase stechen, entsteht ein Loch, das sich schnell erweitert – die gesamte Blase platzt in weniger als einer Zehntelsekunde – und die äußere Seifenschicht zum Kollabieren zwingt und ihre Moleküle in einem dichteren Raum zusammenpackt. All diese Bewegung und Dichteänderung – sowie die Luft, die darin auf- und abfliegt – treibt Wasser- und Seifentropfen mit einem schnellen Knall in den Himmel.
Der Rückzug dieser äußeren Schicht und der Ausstoß dieser Tropfen – insbesondere des ersten oder obersten Tropfens zum Austritt – steht im Mittelpunkt der neuen Theorie des BU Fluid Lab. „Wir konzentrieren uns in dieser Studie auf Strahltropfen, die entstehen, wenn der Blasenhohlraum kollabiert und in einen Flüssigkeitsstrahl hochschießt, der sich in Tropfen abschnürt“, sagt Dubitsky. „Insbesondere untersuchen wir den ersten Strahltropfen, da er tendenziell am kleinsten und schnellsten ist, wodurch es wahrscheinlicher ist, dass er in der Atmosphäre schwebt, am weitesten transportiert oder tief in die Atemwege eingeatmet wird.“
Jegliche Partikel, die in diesem ersten explosiven Tropfen eingeschlossen sind, werden auch eher hochkonzentriert.
In den letzten vier Jahrzehnten dachten Forscher, die Blasen untersuchten, dass der alles entscheidende obere Tropfen aus einer gleichmäßigen Flüssigkeitsschicht gezogen wurde, die die gesamte Blase umgibt – nur Partikel, die klein genug sind, um in dieser Schicht zu sitzen, würden hineingezogen, was bedeutet, dass größere Partikel zurückbleiben würden .
„Wir entschieden uns, wirklich große Partikel zu verwenden, um diese alte Theorie einem Stresstest zu unterziehen, und stellten fest, dass sie überhaupt nicht zutraf“, sagt Dubitsky.
Stattdessen entdeckten sie, dass die Flüssigkeit, die den oberen Tropfen bildet, nicht immer die gesamte Blase umgibt und dass die Größe einer Blase und wo ein Partikel darauf sitzt, auch bestimmen, was wann ausgestoßen wird. Wem das alles ein bisschen esoterisch und technisch erscheint, denk einfach an SARS-CoV-2. In den letzten Jahren war unsere Gesundheit untrennbar mit Tröpfchen verbunden – wie sie sich ausbreiten, was sie mit sich führen, wie lange sie in der Luft verweilen.
„Um die Infektiosität eines bestimmten Krankheitserregers vorherzusagen, muss man die Infektionsdosis kennen. Wenn diese Tröpfchen also ultrakonzentriert werden, ist es wirklich wichtig, welche Größe ultrakonzentriert wird“, sagt Oliver McRae, ein gemeinsamer Hauptautor des Papiers und der BU Postdoktorand der Technischen Hochschule.
McRaes Simulation einer platzenden Blase zeigt, wie das expandierende Loch die äußere Schicht auf einen engeren Raum komprimiert, bevor der obere Tropfen explodiert. Bildnachweis: Boston University
„Wenn Sie ein 50-Mikron-Tröpfchen haben [one micron is one one-thousandth of a millimeter], wir kümmern uns nicht wirklich darum. Wenn Sie in der Lage sind, größere Partikel zu bekommen und sie viel weiter zu transportieren als bisher angenommen, ist das eine wichtige Erkenntnis.“
Um die Bläschen in Aktion festzuhalten, stellte das Forschungsteam einen Behälter auf, der mit Flüssigkeit und kleinen Mikroplastikpartikeln – kleinen Styroporstücken – gefüllt war. Dann bliesen sie Blasen unterschiedlicher Größe in die Flüssigkeit und beobachteten mit Hochgeschwindigkeitskameras, wie sie an die Oberfläche stiegen und platzten. Der obere Tropfen würde auf einen Glasobjektträger über der Oberfläche der Flüssigkeit spritzen, sodass die Forscher die zurückgelassenen Partikel analysieren können. McRae erstellte dann Computersimulationen der platzenden Blasen, damit sie ihren schnellen Untergang analysieren konnten.
„Was wir gesehen haben, ist, dass die Flüssigkeitsschicht dicker wird, wenn die Blase kollabiert und die Flüssigkeit nach unten zur Basis geschwemmt wird und schließlich zu einem Strahl wird“, sagt McRae, „und so dass die Kompression größere Partikel eindringen lässt .“
Bei größeren Blasen war die äußere Schicht anfangs ziemlich gleichmäßig und umgab die Blase vollständig; Bei kleineren Blasen bedeckte es jedoch kaum die untere Hälfte.
„Das heißt, wenn Sie ein Bakterium oder ein Virus sind und in der oberen Hälfte der Blase stecken bleiben, werden Sie niemals in den oberen Tropfen einer kleinen Blase gelangen“, sagt McRae. „Das wurde in früheren Theorien nicht berücksichtigt oder nicht vorhergesagt.“
Laut James Bird, außerordentlicher ENG-Professor für Maschinenbau und Hauptforscher des Fluid Lab, ist die Forschung aufregend, weil sie „die Möglichkeit eröffnet, dass so viel mehr vor sich geht, als wir angenommen hatten, als wir überhaupt den Rahmen hatten, um zu erkennen .“
Als Beispiel sagt er, dass das Bakterium Legionella, das die Legionärskrankheit verursacht und durch platzende Blasen transportiert wird, eher eine längliche als eine runde Form hat. Was könnten die neuesten Erkenntnisse seines Teams dafür bedeuten, wie es vom Platzen einer Blase mitgerissen wird? Und was könnte das für die Eindämmung von Ausbrüchen bedeuten?
„Vielleicht gibt es in einer Toilette oder einem Swimmingpool Strategien, die man ergreifen kann, um sicherzustellen, dass einige dieser Orte nicht so pathogen sind“, sagt Bird. „Oder vielleicht, wenn Sie etwas Neues haben, ein neuartiges Virus oder Bakterium, gibt es Möglichkeiten, nur basierend auf der Chemie und der Form vorherzusagen, wie wahrscheinlich es ist, dass es aerosoliert wird. Diese Arbeit ist ein Sprungbrett.“
Mehr Informationen:
Lena Dubitsky et al., Anreicherung von Scavenged Particles in Jet Drops bestimmt durch Blasengröße und Partikelposition, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.054001