Una recente foto di copertina del servizio su Scienza raffigurato una bolla nel mezzo del collasso, sulla base di uno studio condotto da Alexandros T. Oratis et al. Il gruppo di ricerca in ingegneria meccanica, matematica e ingegneria aerospaziale presso la Boston University, Il MIT e la Princeton University hanno dimostrato la formazione di intriganti schemi ondulatori quando le bolle subiscono il collasso. Utilizzando una configurazione di illuminazione complessa e una velocità dell'otturatore elevata in laboratorio, perfettamente allineato per catturare un momento fugace, entro un secondo, hanno fotografato la minuscola bolla che emerge dal mezzo circostante di denso olio di silicone.

La rottura e il collasso delle bolle viscose sono molto diffusi in natura e nelle applicazioni industriali. Il fenomeno è accompagnato da lamine elastiche che sviluppano rughe radiali. Mentre il peso del film sembrava svolgere un ruolo dominante durante il collasso del film e l'instabilità delle rughe, in questo lavoro, la gravità sembrava giocare un ruolo sorprendentemente trascurabile. Basandosi sulla meccanica dei fluidi dei fenomeni, Orati et al. ha mostrato che la tensione superficiale è il fattore trainante durante il collasso per avviare l'instabilità dinamica di instabilità e il comportamento di increspatura, accompagnato dalla rottura di film viscosi e viscoelastici curvi. Il lavoro di ricerca è rilevante per comprendere le applicazioni industriali e chimiche, compresa la produzione di aerosol da eventi di espirazione nel tratto respiratorio.

Raggrinzamento di fogli sottili

Comprendere la formazione delle bolle è importante a causa della loro ubiquità in natura e nelle applicazioni industriali, inclusa la raccolta delle bolle durante la produzione del vetro, pittura spray, smaltimento di scorie radioattive e nelle eruzioni vulcaniche. I fogli elastici possono raggrinzirsi sotto sforzo di compressione poiché richiedono meno energia per piegarsi rispetto a comprimersi. In studi recenti i ricercatori si sono concentrati sulla comprensione delle deformazioni flettenti che si verificano quando un sottile foglio elastico viene stirato, colpito, o avvolto attorno a un oggetto curvo. Allo stesso modo, anche i liquidi viscosi possono deformarsi in un processo osservato come "instabilità del paracadute" quando una bolla che sale raggiunge la superficie per rompersi. Dopo l'affioramento, una bolla è costituita da un sottile film liquido a forma di calotta sferica sorretta dal gas intrappolato al suo interno. Le rughe che si sviluppano durante la rottura delle bolle lo fanno a causa del peso del film sottile che collassa per consentire la fuoriuscita del gas intrappolato. Orati et al. hanno mostrato che l'instabilità delle rughe non dipendeva specificamente dalla gravità o dalla presenza di un foro formato sperimentalmente per consentire al gas intrappolato di fuoriuscire dalla bolla.

Il team ha condotto esperimenti e osservato lo sviluppo di rughe in una bolla che collassa su un bagno di olio di silicio per mostrare come è stata guidata dalla tensione superficiale anziché dalla gravità. Per verificare l'ipotesi, hanno condotto un esperimento con le bolle capovolte, un approccio facilitato dalla viscosità del liquido. Ci sono riusciti preparando la bolla con il lato destro rivolto verso l'alto e ruotando rapidamente il campione per romperlo in pochi secondi. Quando invertito, il film a bolle ha continuato a mantenere la sua forma e lo spessore all'apice. Se la gravità e la viscosità avessero contribuito in modo dominante al processo, le bolle invertite si sarebbero allungate verso il basso come si vede nelle simulazioni. Anziché, il team ha notato che la bolla invertita ritornava contro la forza di gravità, mentre le rughe si formano durante le fasi finali del collasso delle bolle, fornendo loro una visione chiara del processo.

Per comprendere la tensione superficiale, il motore del fenomeno, gli scienziati hanno misurato i parametri chiave caratteristici della scala temporale del collasso. Per questo, Orati et al. utilizzati oli di silicone con varie viscosità e vari spessori del film durante gli esperimenti. Utilizzando immagini ad alta velocità, hanno calcolato la velocità rappresentativa all'inizio delle rughe e hanno aumentato la viscosità dell'olio di silicone, per rallentare il collasso. Come previsto, le bolle più sottili sono collassate più velocemente. Il modello derivato in questo lavoro ha mostrato come il numero di rughe dipendesse fortemente dalla dimensione del foro creato per avviare il collasso della bolla. Durante le dimostrazioni sperimentali, il team ha eliminato la differenza di pressione attraverso la superficie della bolla utilizzando una configurazione guidata da un capillare che non ha rotto il film sottile, di conseguenza, il foro creato nel processo ha indotto in modo efficiente il collasso della bolla senza rompere il film.

I risultati sperimentali erano in discreto accordo con la teoria. La competizione tra sollecitazione di trazione e sollecitazione di compressione nel sistema ha influenzato la posizione dei modelli di increspatura nei fogli. Orati et al. eseguito ulteriori esperimenti con strutture più spesse utilizzando vetro fuso soffiato estratto dalla fornace, dove hanno permesso all'aria intrappolata di fuoriuscire attraverso il tubo di soffiatura del vetro. Durante il processo, il vetro soffiato è crollato assumendo la forma di una ruga. Il modello derivato in questo lavoro presentava limitazioni per i dati con i film più sottili in cui il collasso era così brusco che il modello di rughe ha perso la sua simmetria per coprire l'intera bolla. Per di più, il modello prevedeva che le rughe non si sarebbero verificate per tutte le condizioni.

In questo modo, Oratis e colleghi hanno dimostrato che la tensione superficiale, non gravità, guidato il collasso di bolle superficiali viscose. Hanno sviluppato un sistema di collasso guidato dai capillari per avviare l'instabilità dinamica di instabilità tramite l'interazione simultanea di inerzia, compressione, e legame viscoso del film recidivante. Il lavoro ha presentato fogli viscosi con instabilità di tipo elastico durante una rapida compressione. I risultati possono anche spiegare la meccanica dei fluidi dell'esalazione di potenziali aerosol portatori di agenti patogeni che sono collegati alla rottura di sottili film di bolle nel fluido viscoelastico che riveste il tratto respiratorio. Il presente lavoro suggerisce che la sola tensione superficiale può provocare instabilità di instabilità durante la rottura del film viscoso affinché questi film si pieghino e intrappolino aria, fornendo così una visione più approfondita dei meccanismi di aerosolizzazione.

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