Questo diagramma di fase riassume i risultati di uno studio dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidi sul flusso di fluidi viscoelastici su superfici ondulate. I modelli di flusso dipendono dall'elasticità del fluido (incapsulato da Sigma, sull'asse verticale) e la profondità del canale rispetto alla lunghezza d'onda superficiale (che è alfa, sull'asse orizzontale). L'angolo in basso a destra del diagramma è la regione specifica in cui l'elasticità e la profondità del canale si trovano in un "punto debole, ", quindi si combinano per provocare l'amplificazione della vorticità allo "strato critico". Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
I fluidi viscoelastici sono ovunque, se scorre nelle tue vene o attraverso 1, 300 chilometri di tubo nel gasdotto Trans-Alaska. A differenza dei fluidi newtoniani, come olio o acqua, i fluidi viscoelastici si allungano come un filo di saliva appiccicoso. Catene di molecole all'interno dei fluidi conferiscono loro questo superpotere, e gli scienziati stanno ancora lavorando per capire come influenza il loro comportamento. I ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ci hanno avvicinato ulteriormente dimostrando come i fluidi viscoelastici scorrono su superfici ondulate, e i loro risultati sono inaspettati.
"Per me non era intuitivo, e ho lavorato con questi fluidi per quasi 20 anni, " disse Simon Haward, capogruppo dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidica e primo autore dello studio. La carta, pubblicato in Fisica dei fluidi il 5 novembre, 2018, è il terzo di una serie di tre studi che mettono alla prova nuove teorie sui fluidi viscoelastici.
Un fenomenale atto di scomparsa
Quando l'acqua scorre attraverso un tubo liscio, il suo moto è uniforme in tutto. Ma quando l'acqua entra in contatto con una superficie ondulata, si infrange come la marea sulla riva del mare. L'acqua reagisce a ogni picco e depressione dell'onda perturbatrice, gettato in vortici a spirale noti come vortici. Il movimento rotatorio, noto come vorticità, è più pronunciato vicino alla parete ondulata e si dissipa a una distanza calcolabile.
Gli scienziati hanno assistito a questo scenario innumerevoli volte nell'acqua e in altri fluidi newtoniani. Ma prima d'ora, analoghi esperimenti non erano mai stati condotti nei fluidi viscoelastici, che si prevede si comportino in modo molto diverso. I ricercatori dell'OIST si sono proposti di colmare questa lacuna nella letteratura.
Recenti lavori teorici suggeriscono che le onde mandano fluidi viscoelastici a ruotare in modo molto simile ai fluidi newtoniani, ma con una differenza fondamentale. Mentre il moto vorticoso indotto nei fluidi newtoniani decade con la distanza, i vortici nei fluidi viscoelastici possono effettivamente essere amplificati a una distanza specifica. Questa regione di azione amplificata è stata chiamata in teoria lo "strato critico", ma non era stato osservato sperimentalmente.
"La posizione di questo strato critico dipende dall'elasticità del fluido, " disse Haward. Più catene di molecole, o polimeri, un fluido contiene, Egli ha detto, più diventa elastico. Più elastico è il fluido, più lontano si allontana lo strato critico dalla parete ondulata. Arriva un punto in cui il fluido è così elastico, e lo strato critico così lontano, che i vortici spiraliformi vicino alla parete non ne risentono più.
"Normalmente, pensiamo che se un fluido è più viscoelastico, vedrai effetti più strani, " Haward ha detto. "Ma in questo caso, quando il fluido è altamente elastico, l'effetto osservabile scompare."
I ricercatori dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidi catturano istantanee del fluido che scorre seminandolo con particelle traccianti, come qui raffigurato. Ogni immagine viene catturata in un momento diverso nel tempo, quindi le particelle si sono spostate di posizione da un fotogramma all'altro. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Colmare le lacune critiche nella conoscenza
Nelle ricerche passate, l'Unità Micro/Bio/Nanofluidica ha progettato esperimenti e attrezzature specializzate per catturare questi strati critici in azione. I loro sforzi hanno portato alla prima prova sperimentale del fenomeno. Ora, i ricercatori hanno costruito un grafico dettagliato che descrive come si sposta lo strato critico quando il canale viene allargato, si allunga la lunghezza d'onda o si aumenta la portata del fluido.
"È stato sorprendente perché la teoria sembrava controintuitiva, ma i nostri risultati sperimentali rientravano esattamente nello stesso diagramma di fase previsto dalla teoria, " disse Haward. "Fondamentalmente, i nostri esperimenti hanno pienamente confermato la teoria".
La ricerca completa stabilisce un forte punto di partenza per futuri studi sui fluidi viscoelastici. Le proprietà fondamentali di questi fluidi elastici hanno implicazioni dirette nell'industria petrolifera, medicina e biotecnologia, e contribuire a plasmare il mondo intorno a noi. Con questo studio, gli scienziati possono ora iniziare a scomporre lo strato critico nei loro calcoli, che possono aiutare a migliorare le applicazioni o trovare nuove strade per i fluidi viscoelastici nella loro ricerca.
