Se hai mai spruzzato vernice su una tela o spruzzato una teglia con olio, probabilmente hai creato, a parte un piccolo pasticcio, una pioggia di goccioline, che vanno da macchie di una monetina a puntini di matita.

Tali dimensioni delle gocce possono sembrare casuali, ma ora gli ingegneri del MIT possono prevedere la distribuzione delle dimensioni delle gocce di liquido, compresa la probabilità di produrre goccioline molto grandi e molto piccole, basata su una proprietà principale:la viscoelasticità del liquido, o viscosità. Cosa c'è di più, la squadra ha scoperto che, oltre una certa viscosità, i fluidi mostreranno sempre la stessa gamma relativa di dimensioni delle goccioline.

Sapere quanto possono essere grandi o piccole le goccioline di uno spray liquido può aiutare i ricercatori a identificare i fluidi ottimali per una serie di applicazioni industriali, dalla prevenzione dei difetti nei lavori di verniciatura per autoveicoli, alla fertilizzazione dei campi agricoli tramite irrorazione aerea.

I risultati dei ricercatori sono stati pubblicati in ottobre sulla rivista Lettere di revisione fisica . L'autore principale del documento è Bavand Keshavarz, uno studente laureato nel laboratorio di Gareth McKinley, che è la School of Engineering Professor of Teaching Innovation al MIT e l'autore senior del documento. I loro coautori includono Eric Houze, Giovanni Moore, e Michael Koerner di Axalta Coating Systems, un produttore di vernici per veicoli commerciali con sede a Filadelfia.

Un ingrediente addensante

I modi in cui i liquidi si frammentano, o si rompono in goccioline, affascina da secoli e da decenni un attivo campo di studi. Scienziati, cercando di caratterizzare la frammentazione del liquido, si sono tipicamente concentrati su quelli che sono conosciuti come fluidi newtoniani, come acqua e olio, relativamente sottili, liquidi omogenei che non includono particelle fini o molecole lunghe come i polimeri che potrebbero influenzare il modo in cui tali fluidi scorrono.

Nei primi anni 2000, gli scienziati hanno derivato una semplice equazione per descrivere come si comporta qualsiasi fluido newtoniano quando viene atomizzato, o spruzzato in goccioline. Incorporato in questa equazione c'era un singolo parametro, "n, " che determina quanto ampia o stretta può essere la distribuzione delle gocce di un liquido. Maggiore è il valore di "n, " più stretta è la distribuzione delle dimensioni finali.

Ma quando questo valore è relativamente grande, l'equazione non riesce a descrivere la più ampia distribuzione delle dimensioni delle goccioline osservata per più viscoelastico, fluidi non newtoniani come saliva, sangue, dipingere, e resine. Keshavarz e McKinley sospettavano che la viscosità di un fluido non newtoniano, o viscoelasticità, potrebbe avere qualcosa a che fare con la mancata corrispondenza.

"Quello che volevamo aggiungere alla letteratura era come la viscoelasticità può cambiare questo parametro n, che è il parametro più importante perché determina quante gocce di una dimensione specifica può produrre un liquido, rispetto alla dimensione media delle gocce, " dice Keshavarz. "Ora per la prima volta per una varietà di fluidi, siamo stati in grado di quantificarlo".

"Congelato in tempo"

Fare così, Keshavarz e McKinley hanno allestito diversi esperimenti per osservare la frammentazione dei liquidi nei fluidi sia newtoniani che non newtoniani. Usavano acqua e miscele acqua-glicerolo come i classici fluidi newtoniani, e ha creato campioni non newtoniani mescolando una soluzione di acqua-glicerolo con quantità variabili di polimeri con pesi molecolari diversi. Hanno anche sperimentato diverse vernici e resine industriali.

I ricercatori hanno sottoposto ogni campione di liquido a tre diversi test di atomizzazione, prima far cadere liquidi su una superficie piana, poi spruzzandoli attraverso un ugello, e infine, formando uno spruzzo del liquido facendo scontrare due getti. Il team ha utilizzato una tecnica di luce stroboscopica, originariamente sviluppato da Harold "Doc" Edgerton del MIT, per creare immagini frazionate di millisecondi di ciascun esperimento.

Il team ha osservato quasi 5, 000 goccioline per ogni liquido testato. Le loro immagini hanno mostrato che, generalmente, più sottile, I fluidi newtoniani hanno prodotto una gamma più ristretta di dimensioni delle goccioline, indipendentemente dal tipo di esperimento eseguito, considerando che i fluidi viscoelastici avevano distribuzioni più ampie, generando un numero maggiore di gocce grandi e piccole.

Mentre venivano spruzzati o fatti cadere, i fluidi viscoelastici creavano lunghi legamenti, o proiezioni simili a corde, che prima si allungava, poi alla fine si è rotto in goccioline.

"Ogni immagine fa sembrare i legamenti congelati nel tempo, " dice Keshavarz. "In una frazione di millisecondo, si scompongono in una gamma finita di dimensioni delle gocce."

Un profilo universale

Facendo riferimento all'equazione originale che descrive la frammentazione dei fluidi newtoniani, Keshavarz ha notato che il parametro "n, " che stabilisce la distribuzione delle dimensioni delle gocce, è anche determinata dalla levigatezza dei legamenti che alla fine si frammentano in gocce. Nelle immagini dei loro esperimenti, però, i ricercatori hanno osservato che i fluidi più viscoelastici producono più irregolari, legamenti più corrugati. Keshavarz ipotizzò che più un liquido è appiccicoso, più resiste a distendersi mentre forma un legamento.

Per verificare questa ipotesi, ha sviluppato un nuovo esperimento, chiamato test "step-strain", in cui ha spremuto un liquido tra due piatti, poi ha smontato velocemente i piatti, tirando il liquido verso l'alto e allungandolo in un legamento prima che si separi in gocce. Nell'imaging ad alta velocità di questi test, i ricercatori hanno osservato che i fluidi viscoelastici mostravano legamenti più irregolari, simili a perline su una corda. Più il liquido è appiccicoso, più il legamento diventava corrugato. I ricercatori hanno misurato le ondulazioni e hanno scoperto che, oltre una certa viscosità, il grado di irregolarità di un legamento è rimasto lo stesso.

Dalle loro immagini di getti viscoelastici, i ricercatori hanno anche misurato la velocità con cui ogni legamento si assottigliava, noto anche come tempo di rilassamento del liquido. Allo stesso modo, hanno scoperto che questa velocità diventa quasi costante per i liquidi viscoelastici. Il team ha eseguito alcuni calcoli per adattare le misurazioni del tempo di rilassamento all'equazione originale per la frammentazione dei liquidi, e ho scoperto che, note tutte le altre variabili, il parametro "n" ha raggiunto un valore minimo non importa quanto appiccicoso fosse il fluido, corrispondente ad un'ampiezza massima nella distribuzione delle dimensioni delle gocce.

In altre parole, i ricercatori hanno identificato la più ampia distribuzione di dimensioni delle goccioline che qualsiasi viscoelastico, fluido non newtoniano può eventualmente manifestarsi quando spruzzato.

"Indipendentemente dal tipo di esperimento, o il tipo di polimero o concentrazione, vediamo questa distribuzione universale, ed è ampiamente applicabile a un'ampia gamma di fluidi, "dice McKinley.

In definitiva, dice che questa nuova comprensione della frammentazione dei fluidi può essere utile in una serie di aree tra cui la combustione, spray farmaceutici e agricoli, getti d'inchiostro, e l'industria dei rivestimenti per autoveicoli, dove i produttori sono alla ricerca di modi per prevenire l'"over-spray" e aumentare l'efficienza della verniciatura a spruzzo.

"Quando spruzzano una macchina, devono fissare le finestre perché non importa quanto stai attento, c'è sempre un po' di overspray, che è vernice sprecata, " dice McKinley. "Inoltre, se stai spruzzando vernice, i cali maggiori tendono a presentarsi come difetti. Questo è uno dei motivi per cui ti interessa la distribuzione delle dimensioni delle gocce:vuoi sapere quanto saranno grandi le gocce più grandi, perché un buon lavoro di verniciatura alla fine della giornata dovrebbe essere una finitura perfettamente liscia."