Coloro che hanno mescolato olio e aceto potrebbero aver osservato inconsapevolmente uno strano fenomeno fluido chiamato instabilità delle dita. Un tipo di questo fenomeno, chiamato diteggiatura viscosa (VF), si verifica in mezzi porosi in cui fluidi di diversa viscosità convergono in schemi a forma di dito a causa di crescenti disturbi all'interfaccia.

Tali instabilità si incontrano in un'ampia varietà di campi. Per applicazioni come il processo di recupero dell'olio, o trasporto di contaminanti nel suolo, dove viene iniettato un fluido per spostare olio o contaminanti, è necessario un fronte fluido uniforme per ottenere la massima spazzata ed efficacia volumetrica, rendendo tali instabilità indesiderabili.

D'altra parte, in dispositivi microfluidici come i micromixer dove gli effetti inerziali sono trascurabili, VF è un mezzo efficace per migliorare la velocità di miscelazione dei fluidi. Comprendere i diversi aspetti di questo fenomeno, e le variabili che possono controllare cose come instabilità e dinamiche di distribuzione della velocità, può potenzialmente offrire opzioni per controllare e utilizzare questi effetti in modo più efficace.

Un team di ricercatori dell'Università di Calgary lavora da tempo su quest'area e di recente ha fatto grandi passi avanti nella comprensione del fenomeno. Riportano i loro risultati questa settimana sul giornale Fisica dei fluidi .

"Il mio lavoro è parte del puzzle nell'evoluzione in questa area di ricerca, " disse Benham Dastvareh, un ricercatore presso l'Università di Calgary. "La mia ricerca mi permette di unire il mio interesse per la matematica, metodi numerici e ricerca fondamentale sui fenomeni di trasporto, e in particolare la meccanica dei fluidi."

Utilizzando un approccio globale, i ricercatori di Calgary hanno incorporato la simulazione non lineare delle dita in crescita e anche l'analisi della stabilità analitica dello spostamento dei nanofluidi in un mezzo poroso. Combinando i vantaggi di questi metodi, hanno raggiunto una migliore e più completa comprensione del fenomeno.

I risultati hanno rivelato che le nanoparticelle non possono rendere instabile un flusso altrimenti stabile, ma possono aumentare o attenuare l'instabilità di un flusso originariamente instabile. L'aumento della velocità di deposizione delle nanoparticelle o della loro velocità di diffusione ha destabilizzato il flusso. Per di più, la deposizione di nanoparticelle può modificare una distribuzione iniziale della viscosità monotona decrescente, che è puramente decrescente o immutabile, a uno non monotono, e porta allo sviluppo di dipoli a vortice.

"Le analisi delle strutture dei vortici insieme alle distribuzioni della viscosità ci hanno permesso di spiegare le tendenze osservate e le risultanti configurazioni delle dita, disse Dastvareh. "Questo lavoro apre una porta per ulteriori studi e rappresenta nuove scoperte che possono essere utilizzate per controllare le crescenti instabilità in presenza di nanofluidi per diverse applicazioni".

Questo lavoro può anche avere potenziali applicazioni per la somministrazione di farmaci, dove le nanoparticelle non possono penetrare facilmente attraverso un mezzo poroso. "È possibile che la diteggiatura viscosa possa essere utilizzata per aprire un canale nel tessuto umano per trasferire queste nanoparticelle per il trattamento clinico, " disse Dastvareh.