Un professore di ingegneria ambientale dell'Oregon State University ha risolto un mistero vecchio di decenni sul comportamento dei fluidi, un campo di studi con un medico diffuso, applicazioni industriali e ambientali.

La ricerca di Brian D. Wood, pubblicato in Journal of Fluid Mechanics , elimina un ostacolo che ha sconcertato le menti scientifiche per quasi 70 anni e apre la strada a un'immagine più chiara di come le sostanze chimiche si mescolano nei fluidi.

Una comprensione più completa di questo principio di base fornisce una base per i progressi in una serie di aree, dal modo in cui gli inquinanti si diffondono nell'atmosfera al modo in cui i farmaci irrorano i tessuti all'interno del corpo umano.

Finanziato dalla National Science Foundation, Il lavoro di Wood con la teoria della dispersione si basa sulla ricerca di uno degli scienziati più affermati nella storia dello stato dell'Oregon, Octave Levenspiel. Un dottorato di ricerca in ingegneria chimica del 1952. laureato e poi docente di lunga data, Levenspiel nel 1957 pubblicò un importante documento sulla dispersione nei reattori chimici sulla strada per diventare il primo membro del college alla National Academy of Engineering.

Ancora più importante, la ricerca di Wood colma una lacuna di vecchia data in uno dei principi fondamentali della meccanica dei fluidi:la teoria della dispersione di Taylor. Chiamato per il fisico e matematico britannico G.I. Taylor, autore di un fondamentale articolo del 1953, la teoria riguarda fenomeni in cui le fluttuazioni nei campi di velocità di un fluido provocano la diffusione di sostanze chimiche al suo interno.

"Il processo di diffusione dispersiva tende ad aumentare nel tempo fino a raggiungere un livello costante, " ha detto Wood. "Puoi pensarlo come un investimento in una startup, in cui i tassi di rendimento possono inizialmente essere molto elevati prima di stabilizzarsi a un livello più sostenibile che è vicino alla costante".

La teoria di Taylor è stata la prima a consentire ai ricercatori di prevedere quel livello costante di dispersione utilizzando la cosiddetta equazione di dispersione macroscopica. L'equazione può descrivere il movimento netto di una specie chimica in un fluido, a condizione che sia trascorso un tempo sufficiente da quando la sostanza chimica è entrata nel fluido.

"E' stata una rivelazione significativa all'epoca, " Wood ha detto. "Era alla pari con ciò che i ricercatori stavano facendo teoricamente in altre discipline, come la meccanica quantistica".

Mentre la teoria di Taylor ebbe successo e fu rivoluzionaria, i ricercatori hanno ancora lottato con il problema di come la diffusione dispersiva si evolva dalla sua dinamica, comportamento precoce - quella che viene definita la sua condizione iniziale - fino a quando raggiunge il valore più costante previsto da Taylor.

Gli scienziati hanno riscontrato un certo successo aggiungendo all'equazione un coefficiente di dispersione dipendente dal tempo, ma il coefficiente ha creato problemi di per sé, il principale sono i paradossi.

"Per esempio, se i soluti chimici iniettati in un fluido in due momenti diversi si sovrappongono, a che ora assegni al coefficiente di dispersione?" disse Wood. "Lo stesso Taylor lo capiva, dove è stato adottato un coefficiente di dispersione dipendente dal tempo, teorie contemporanee hanno violato le nozioni di base di causalità in fisica."

Wood e collaboratori usarono un altro canone, la teoria delle equazioni differenziali parziali, per mostrare che i problemi con il coefficiente di dispersione dipendente dal tempo sono sorti dal trascurare il rilassamento del soluto, la sostanza chimica iniettata nel fluido, o soluzione, dalla sua condizione iniziale.

"Quando le specie chimiche vengono iniettate per la prima volta, il loro comportamento non è necessariamente coerente con un'equazione di tipo dispersione, " spiegò Wood. "Piuttosto, la condizione iniziale deve prima 'rilassarsi'. Durante questo periodo, c'è un termine aggiuntivo per spiegare che mancava nell'equazione di dispersione su macroscala di Taylor".

In un'equazione, un termine si riferisce ad un singolo numero o ad una variabile, oppure numeri e variabili moltiplicati tra loro.

Il termine Wood aggiunto corregge l'equazione di dispersione per tenere conto della configurazione iniziale delle specie chimiche che si muovono nel fluido. Un po' sorprendentemente, legno ha detto, la teoria risolve anche i paradossi in altre teorie con coefficienti di dispersione dipendenti dal tempo.

"Nella nuova teoria, non c'è mai una domanda su quale coefficiente di dispersione dovrebbe essere usato quando i soluti chimici si sovrappongono, " ha detto. "L'adeguamento al processo di diffusione è contabilizzato automaticamente dalla presenza del termine aggiuntivo".