In un momento in cui gli astronomi di tutto il mondo si stanno godendo nuove visioni del cosmo lontano, un esperimento sulla Stazione Spaziale Internazionale ha fornito ai ricercatori della Cornell una nuova visione di qualcosa di un po' più vicino a casa:l'acqua.

In particolare, l'ambiente di microgravità della stazione spaziale ha illuminato il modo in cui le goccioline d'acqua oscillano e si diffondono su superfici solide, conoscenze che potrebbero avere applicazioni molto legate alla terra nella stampa 3D, nel raffreddamento a spruzzo e nelle operazioni di produzione e rivestimento.

Il documento del team di ricerca, "Oscillations of Drops with Mobile Contact Lines on the International Space Station:Elucidation of Terrestrial Inertial Droplet Spreading", pubblicato il 16 agosto in Physical Review Letters . L'autore principale è Joshua McCraney, Ph.D.

L'esperimento e le sue scoperte, sebbene riuscite, sono anche agrodolci. Il co-autore senior del documento Paul Steen, il professore Maxwell M. Upson presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering del College of Engineering, è morto nel settembre 2020, poco prima che l'esperimento fosse condotto.

"È triste che Paul non sia riuscito a vedere gli esperimenti lanciati nello spazio", ha detto la co-autrice senior Susan Daniel, la professoressa Fred H. Rhodes alla Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering e collaboratrice di lunga data di Steen. "Speriamo di aver fatto bene a lui alla fine e che la carta che abbiamo prodotto dal lavoro lo renda orgoglioso."

Daniel ha iniziato a collaborare con Steen poco dopo essere arrivata alla Cornell come assistente professore nel 2007. Sebbene la sua attuale ricerca sia focalizzata sull'interfaccia biologica del coronavirus, il suo lavoro di laurea era in interfacce chimiche e meccanica dei fluidi, un campo in cui Steen era avanzare una serie di previsioni teoriche basate su come le goccioline risuonano quando sono soggette a vibrazioni. I due ricercatori si sono immediatamente collegati.

"Conosceva la teoria e faceva previsioni, e io sapevo come eseguire gli esperimenti per testarli", ha detto Daniel. "Fondamentalmente, dal momento in cui sono arrivato qui nel 2007 fino alla sua morte, abbiamo lavorato per cercare di capire come i liquidi e le superfici interagiscono tra loro e come la linea di contatto all'interfaccia tra di loro si comporta in condizioni diverse".

La loro collaborazione ha portato a un "album fotografico" delle decine di possibili forme che una goccia d'acqua oscillata può assumere. Steen ha successivamente ampliato quel progetto catalogando gli stati energetici delle goccioline come evidenziato da quelle forme risonanti, organizzandole in una classificazione a "tavola periodica".

Nel 2016, Steen e Daniel hanno ricevuto una borsa di studio quadriennale dalla National Science Foundation (NSF) e dal Center for the Advancement of Science in Space della NASA per condurre ricerche sulla dinamica dei fluidi a bordo del Laboratorio Nazionale degli Stati Uniti della Stazione Spaziale Internazionale.

Lo spazio è un luogo ideale per studiare il comportamento dei fluidi a causa della radicale riduzione della gravità, che sulla ISS è circa un milionesimo del suo livello terrestre. Ciò significa che le interazioni fluido-superficie che sono così piccole e veloci sulla Terra da essere praticamente invisibili possono essere, nello spazio, quasi 10 volte più grandi, da micron a centimetri, e la loro durata rallenta di quasi 30 volte.

"È più difficile studiare questi movimenti di caduta, sperimentalmente e fondamentalmente, quando hai la gravità sulla tua strada", ha detto Daniel.

Steen e Daniel hanno selezionato alcune forme di risonanza dal loro album fotografico che volevano esplorare in dettaglio, con particolare attenzione al modo in cui la linea di contatto di una goccia d'acqua, o il bordo esterno, scorre avanti e indietro su una superficie, guidando il modo in cui il liquido si diffonderà , un fenomeno che può essere controllato variando le frequenze di vibrazione.

Il team ha preparato istruzioni meticolose che gli astronauti avrebbero dovuto seguire, comprimendo quattro anni di pianificazione in un esperimento di diversi minuti in cui ogni secondo era strettamente coreografato.

Con i ricercatori che monitorano e forniscono feedback in tempo reale a terra, gli astronauti hanno depositato 10 ml di goccioline d'acqua tramite una siringa su nove diverse superfici idrofobiche con vari gradi di rugosità. Hanno anche costretto coppie di goccioline a fondersi insieme e hanno posizionato le goccioline su un oscillatore e ne hanno sintonizzato le vibrazioni per ottenere le forme di risonanza mirate. I movimenti oscillanti e tremolanti delle goccioline d'acqua sono stati filmati e i ricercatori hanno trascorso l'anno successivo ad analizzare i dati.

Quell'analisi alla fine ha confermato le teorie di Steen sul modo in cui la densità e la tensione superficiale di un liquido controllano la mobilità della linea di contatto, superando la rugosità di una superficie.

Daniel attribuisce al coautore Joshua Bostwick, Ph.D., un ex studente di Steen e ora professore associato di Stanzione Collaboration alla Clemson University, il merito di aver assicurato che i risultati dell'esperimento corrispondessero alle previsioni teoriche di Steen.

"Josh è stato in grado di portare avanti l'aspetto teorico di questo lavoro in assenza di Paul, cosa che non era una cosa in cui ero pronto a entrare e fare. È stato bello vederlo rientrare nel team e aiutarci a fare in modo che fossimo in grado di estrarre tutto ciò che potevamo dai dati che abbiamo raccolto", ha detto Daniel. "Ora possiamo essenzialmente utilizzare la teoria che Paul ha creato per fare previsioni, ad esempio, nei processi in cui si spruzzano goccioline sulle superfici, o nella stampa 3D, o in cui i liquidi si diffondono su una superficie molto rapidamente".

Vanessa Kern, Ph.D. è stato anche co-autore dell'articolo. + Esplora ulteriormente

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