Perché grandi bolle di gas nei liquidi viscoelastici (come soluzioni polimeriche e proteiche) salgono molto più velocemente del previsto? Una questione aperta di grande attualità per i processi produttivi industriali. I ricercatori di TU Graz e TU Darmstadt hanno ora trovato una spiegazione.

Si tratta di un enigma noto da tempo agli esperti e molto rilevante in molti processi produttivi industriali:una discontinuità di salto nella velocità di salita delle bolle di gas nei cosiddetti fluidi viscoelastici. I fluidi viscoelastici sono sostanze che combinano caratteristiche di sostanze liquide ed elastiche. Molti shampoo per capelli ne sono un esempio. Se capovolgi una bottiglia di shampoo trasparente, quasi completamente riempita, vedrai l'aria racchiusa sollevarsi come una bolla in una forma insolita. In molti processi industriali, tali liquidi si presentano come soluzioni di polimeri e spesso devono essere arricchiti con ossigeno mediante gassificazione. "Sappiamo da circa 60 anni che la velocità di salita delle bolle di gas nei liquidi viscoelastici subisce un salto ad un diametro critico della bolla. La velocità delle bolle può quindi improvvisamente diventare fino a dieci volte più veloce. Questo gioca un ruolo fondamentale nel controllo gassificazione di questi liquidi. Allo stesso tempo, non era chiaro cosa stesse causando questo improvviso aumento di velocità", spiega Günter Brenn dell'Istituto di meccanica dei fluidi e trasferimento di calore a TU Graz.

Con una combinazione di simulazione, esperimento e analisi teorica, i team di Günter Brenn della TU Graz e Dieter Bothe della TU Darmstadt hanno ora risolto il puzzle insieme. Hanno scoperto che l'interazione delle molecole di polimero con il flusso attorno alle bolle di gas porta a uno strano comportamento di velocità delle bolle. Con questa conoscenza, l'apporto di ossigeno in queste soluzioni può ora essere previsto in modo più accurato, il che significa che le apparecchiature della biotecnologia, dell'ingegneria di processo e dell'industria farmaceutica, ad esempio, possono essere progettate meglio. I ricercatori attualmente spiegano le loro scoperte nel Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

Preferito stato "rilassato"

I polimeri sono spesso costituiti da enormi molecole che interagiscono in modi complessi con il liquido in cui sono disciolti. Questa interazione rende un liquido viscoelastico. Cosa causa il salto di velocità che le bolle di gas mostrano in questi liquidi dal diametro critico in poi? Günter Brenn spiega le ultime scoperte:"Il flusso attorno alla bolla provoca l'allungamento delle molecole di polimero disciolto. Alle molecole non piace particolarmente questo stato. Vogliono tornare allo stato rilassato e non allungato il prima possibile". Se questo ritorno allo stato rilassato è più veloce del trasporto delle molecole all'equatore della bolla, allora la bolla rimane lenta. Se, invece, il ritorno allo stato rilassato richiede più tempo del viaggio all'equatore delle bolle, allora si rilascia una tensione nel fluido che "spinge" la bolla. Questo porta a un'autoamplificazione, poiché le successive molecole polimeriche si posizionano al di sotto dell'equatore e si rilassano, scaricando la loro energia elastica, rilasciando una "forza propulsiva".

Oltre all'elevata rilevanza pratica di questo risultato, soprattutto per le aree di applicazione sopra menzionate, ci sono anche conseguenze nella ricerca di base. "Si è scoperto che un'altra sorprendente proprietà del campo di flusso di queste soluzioni può essere assegnata a questo meccanismo molecolare che abbiamo mostrato:vale a dire, la cosiddetta 'scia negativa' della bolla di gas", afferma Dieter Bothe del gruppo di lavoro Analysis di il Dipartimento di Matematica della TU Darmstadt. Questa è un'area nel campo di flusso sotto la bolla dove il fluido normalmente "segue" la bolla a bassa velocità. Con i liquidi polimerici, invece, è il contrario:lì il movimento del liquido è orientato in direzione opposta al movimento della bolla. Questo movimento fluido è causato dalla stessa tensione che "spinge" la bolla. Questa comprensione può portare a possibilità per il controllo dei processi di flusso.