Se hai mai provato a sollevare una fetta di pizza ricoperta di caldo, formaggio fuso, hai senza dubbio incontrato il lungo, corde di formaggio che collegano una fetta di pizza all'altra. Continua a sollevare la fetta di pizza e questi ponti di formaggio alla fine si rompono, coprendo il piatto, tavola (o anche il tuo grembo) in lungo, sottili fili di formaggio. Anche se questo è solo un piccolo inconveniente con la pizza, è un problema di vecchia data nell'industria, dove liquidi con proprietà simili al formaggio fuso, soprannominati fluidi viscoelastici, devono essere erogati in modo pulito e rapido.

Ora, gli scienziati hanno sviluppato una nuova tecnica che utilizza la rotazione per rompere questi ponti liquidi. Le loro scoperte, pubblicato l'11 giugno 2021 in PNAS , potrebbe migliorare la velocità e la precisione dell'erogazione di fluidi viscoelastici, in applicazioni che vanno dalla produzione di circuiti stampati e la lavorazione degli alimenti all'ingegneria dei tessuti dal vivo e alla stampa 3D.

"Fludi viscoelastici, come il ketchup, stupido mastice e dentifricio, hanno proprietà molto strane:quando vengono spremute lentamente, scorrono come un fluido, ma a velocità maggiori, agiscono come un solido elastico, " ha detto il co-primo autore, San a Chan, chi è un dottorato di ricerca studente e JSPS DC2 Fellow nella Micro/Bio/Nanofluidics Unit presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Queste proprietà uniche rendono piuttosto difficile l'erogazione di questi fluidi".

Attualmente, il metodo standard nell'industria prevede il sollevamento dell'ugello dalla superficie su cui è stato depositato il liquido. Sebbene questo effettivamente rompa il ponte, attira il liquido depositato in un lungo, picco sottile, noto come coda capillare. Se il ponte liquido si rompe in più punti, piccole goccioline di liquido, chiamate goccioline satellitari, anche forma. Le code dei capillari e le goccioline satellitari possono contaminare i prodotti o cortocircuitare i chip elettronici.

"Più in alto è retratto l'ugello, più lunga è la coda capillare, quindi maggiore è la possibilità di contaminazione, " Chan ha spiegato. "Dal momento che l'ugello non può essere sollevato troppo in alto, il ponte liquido è più spesso e impiega più tempo a rompersi, che rallenta l'intero processo di erogazione."

Per superare queste sfide, Chan e i suoi colleghi hanno ideato una soluzione semplice:invece di allungare il ponte liquido, potrebbe essere destabilizzato attraverso la torsione.

Nello studio, il team di ricerca ha testato questa idea su olio di silicone viscoelastico, che è 60, 000 volte più viscoso dell'acqua. Gli scienziati hanno posizionato una goccia di olio di silicone tra una piastra superiore e una inferiore. Utilizzando immagini ad alta velocità, hanno scoperto che quando il ponte liquido veniva attorcigliato ruotando la piastra superiore, ha provocato una crepa a metà tra le estremità del ponte liquido. La crepa si è poi diffusa verso l'interno dal bordo verso il centro, tagliando il ponte in due in modo netto senza formare code capillari o goccioline satellitari.

È importante sottolineare che questo processo ha richiesto circa un secondo, rispetto ai dieci secondi normalmente necessari per erogare lo stesso fluido utilizzando il metodo di retrazione convenzionale.

Per il loro prossimo passo, gli scienziati hanno scoperto il meccanismo sottostante che provoca la rottura del ponte liquido quando viene sottoposto a torsione. Hanno collaborato con un laboratorio di ricerca della Eindhoven University of Technology, che simulava ciò che Chan e i suoi colleghi avevano osservato sperimentalmente. Le simulazioni hanno fornito informazioni concrete su come ha reagito il ponte liquido, convalidando ciò che gli scienziati avevano sospettato:la crepa è stata causata da una "frattura del bordo".

"Ciò è particolarmente sorprendente in quanto la frattura del bordo è stata caratterizzata come un fenomeno davvero indesiderabile che gli scienziati cercano di impedire che si verifichi, " ha detto il dottor Simon Haward, chi è il capogruppo dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidica. "Questa è la prima volta che si scopre che la frattura del bordo ha un'applicazione vantaggiosa".

Nella fase successiva della loro ricerca, il team prevede di sperimentare diversi fluidi viscoelastici per confermare che si applica lo stesso effetto. Hanno anche in programma di aumentare ulteriormente la velocità del processo di erogazione, potenzialmente combinando sia la rotazione che la retrazione della piastra superiore.

"Per molti settori, passare da un ugello che si ritrae a uno che gira è relativamente facile, ma ha ramificazioni di vasta portata, " ha detto l'autore anziano, Professoressa Amy Shen. "Un'erogazione di liquidi più rapida e precisa potrebbe ridurre il consumo di energia, e meno prodotti contaminati potrebbero significare meno materia prima utilizzata".