Per la maggior parte delle persone, la goccia, gocciolare, il gocciolamento di un rubinetto che perde sarebbe un fastidio. Ma per il dottorato di ricerca del Georgia Institute of Technology. candidato Alexandros Fragkopoulos, ciò che accade all'interno delle goccioline è materia di scienza seria.

Nel laboratorio di Alberto Fernandez-Nieves nella School of Physics della Georgia Tech, Fragkopoulos sta studiando come le goccioline toroidali, che inizialmente assumono la forma di una ciambella, evolvono in goccioline sferiche collassando su se stesse o rompendosi in goccioline più piccole.

Il lavoro con le goccioline ha implicazioni per le scienze della vita, dove materiali biologici, comprese le cellule, subiscono cambiamenti di forma che ricordano il comportamento delle goccioline. E i risultati potrebbero migliorare i processi industriali che vanno dagli iniettori di carburante ai processi chimici che dipendono dalla formazione di goccioline. Nel lavoro, i ricercatori del laboratorio Fernandez-Nieves hanno sviluppato una nuova comprensione dei processi che controllano l'evoluzione di instabili, goccioline a forma di ciambella, aiutandoli a chiarire la complessa interazione delle forze rilevanti per il problema.

"La tensione superficiale guida l'evoluzione delle goccioline, " ha affermato Fragkopoulos. "I fluidi tendono a ridurre al minimo la loro area superficiale per un dato volume perché ciò riduce al minimo l'energia necessaria per avere un'interfaccia tra diversi fluidi. Le forme sferiche riducono al minimo quell'energia, e come risultato, le goccioline toroidali vogliono evolvere per diventare sferiche. Stiamo studiando come avviene questa transizione".

Utilizzando un foglio di luce laser per osservare la dispersione dalle particelle di polistirene poste in goccioline formate all'interno di olio di silicone denso, i ricercatori hanno osservato in dettaglio come le goccioline cambiano forma e quali fattori mettono le goccioline sul percorso verso il collasso o la rottura. La ricerca, che è stato sostenuto dalla National Science Foundation, è stato riportato il 1 marzo sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"La forzatura viscosa quando il toro collassa esercita uno stress sull'interfaccia, che fa sì che sia in circolazione all'interno del toroide e che ne deformi la superficie, " ha detto Fragkopoulos. "Dobbiamo tenere conto di queste sollecitazioni per comprendere completamente l'evoluzione delle goccioline".

L'impulso per il lavoro sperimentale sono state le incongruenze tra le previsioni teoriche e la simulazione al computer delle transizioni delle goccioline toroidali. Ciò che i ricercatori della Georgia Tech hanno scoperto tende a confermare i risultati della simulazione. "Però, il lavoro teorico precedente è stato essenziale per guidare gli sforzi teorici e illustrare quale fosse il problema per descrivere correttamente i risultati sperimentali, ", ha detto Fernandez-Nieves.

"Parametri come le proporzioni - la dimensione complessiva del toro divisa per le dimensioni del tubo - determinano se la goccia toroidale può rompersi, o se semplicemente crollerà in se stesso, " ha detto Fragkopoulos. "Abbiamo scoperto che la gocciolina toroidale si deforma molto dalla forma a ciambella mentre collassa. Si appiattisce mentre si sviluppa, che inizialmente era inaspettato. Ci aspettavamo che il toro fosse simmetrico e ben circolare, che non è quello che abbiamo trovato."

È noto che la rottura o il collasso delle normali gocce di pioggia comporta la formazione di un bordo simile a una ciambella. Però, il processo è piuttosto incontrollato e si svolge rapidamente, così rapidamente che solo le telecamere ad alta velocità potevano vederlo. Per consentire uno studio dettagliato della transizione e l'imaging del campo di flusso all'interno delle gocce, Fragkopoulos ha rallentato drasticamente l'evoluzione creando goccioline all'interno di un tipo di olio di silicone che è sei volte più viscoso del miele. Invece della normale acqua, ha usato acqua distillata in cui è stato mescolato glicole polietilenico per rallentare ulteriormente la dinamica.

L'acqua viene introdotta in un bagno rotante dell'olio di silicone utilizzando un minuscolo iniettore ad ago. Controllando la velocità di pompaggio e dove l'ago inserisce l'acqua, i ricercatori possono controllare i parametri geometrici delle goccioline toroidali, nello specifico lo spessore dell'anello e la dimensione relativa del foro al suo interno. Le goccioline che studiano variano di dimensioni fino a circa un centimetro di diametro. "Questa semplice strategia offre un controllo squisito, ", ha detto Fernandez-Nieves.

Le perle di polistirene nell'acqua consentono ai ricercatori di utilizzare la velocimetria dell'immagine delle particelle (PIV) per vedere i campi di flusso all'interno delle goccioline, mostrando come la sezione trasversale si discosta dalla circolare nel tempo.

"Stiamo usando la differenza di viscosità per generare il toro, " Ha spiegato Fragkopoulos. "Stiamo usando forze viscose per generare le goccioline, perché è importante rallentare la dinamica del collasso del toro in modo da avere abbastanza tempo e risoluzione per vedere i campi di flusso svilupparsi al suo interno".

La ricerca sulla formazione di goccioline tende ad essere focalizzata sulle applicazioni. Ora Fragkopoulos e Fernandez-Nieves stanno usando il loro lavoro sperimentale e teorico per affrontare altri problemi scientifici.

"Ora stiamo usando i metodi per creare oggetti toroidali realizzati con materiali diversi per studiare problemi nella materia condensata e nella bioingegneria, " ha affermato Fernandez-Nieves. "Abbiamo iniziato a lavorare sulle goccioline toroidali con l'idea di studiare come la topologia e la geometria influenzano il modo in cui i materiali ordinati sono influenzati da questi aspetti, e in seguito per affrontare come la curvatura influisce sul comportamento cellulare. Volevamo creare geometrie non banali in modo da poter studiare come questo influenza il comportamento, " ha aggiunto Fragkopoulos.

Il prossimo passo nel lavoro è studiare le goccioline caricate elettricamente, che sono ampiamente utilizzati industrialmente. Le cariche elettriche aggiungono una nuova ruga ai campi di flusso e cambiano il modo in cui si trasformano le goccioline toroidali. Oltre a quelli già citati, la ricerca ha incluso ex studenti laureati e laureandi nel laboratorio Fernandez-Nieves, Ekapop Pairam ed Eric Berger, e il Prof. Phil Segre all'Oxford College, Georgia.