Forstå hvad der sker inde i flydende dråber

For de fleste mennesker, dryp, dryppe, dryp af en utæt vandhane ville være en irritation. Men for Georgia Institute of Technology Ph.D. kandidat Alexandros Fragkopoulos, hvad der sker inde i dråber er tingene i seriøs videnskab.

I laboratoriet af Alberto Fernandez-Nieves i Georgia Tech's School of Physics, Fragkopoulos studerer, hvordan toroidale dråber - som i første omgang tager form af en doughnut - udvikler sig til sfæriske dråber ved at falde sammen i sig selv eller bryde op i mindre dråber.

Arbejde med dråber har konsekvenser for biovidenskaben, hvor biologiske materialer, herunder celler, gennemgå formændringer, der minder om dråbeadfærd. Og resultaterne kan forbedre industrielle processer lige fra brændstofinjektorer til kemiske processer, der er afhængige af dråbedannelse. I arbejdet, forskere i Fernandez-Nieves-laboratoriet har udviklet en ny forståelse af de processer, der styrer udviklingen af ​​ustabile, doughnut-formede dråber, hjælpe dem med at afklare det komplekse samspil af kræfter, der er relevante for problemet.

"Overfladespænding driver udviklingen af ​​dråberne, "sagde Fragkopoulos." Væsker har en tendens til at minimere deres overfladeareal for et givet volumen, fordi det minimerer den energi, der kræves for at have en grænseflade mellem forskellige væsker. Sfæriske former minimerer den energi, og som følge heraf, toroidale dråber ønsker at udvikle sig til at blive sfæriske. Vi studerer, hvordan den overgang sker. "

Ved hjælp af et ark laserlys til at observere spredning fra polystyrenpartikler placeret i dråber dannet i tyk silikoneolie, forskerne har i detaljer observeret, hvordan dråber ændrer form - og hvilke faktorer der sætter dråberne på vej til enten at falde sammen eller bryde sammen. Forskningen, som blev støttet af National Science Foundation, blev rapporteret 1. marts i journalen Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Den tyktflydende tvang, når torus kollapser, udøver belastning på grænsefladen, hvilket får den til både at have en cirkulation inde i torus og deformere dens overflade, "sagde Fragkopoulos." Vi er nødt til at tage disse belastninger i betragtning for fuldstændigt at forstå udviklingen af ​​dråberne. "

Impulsen til det eksperimentelle arbejde var uoverensstemmelser mellem teoretiske forudsigelser og computersimulering af toroidale dråbeovergange. Det, Georgia Tech -forskerne fandt, har en tendens til at sikkerhedskopiere simuleringsresultaterne. "Imidlertid, det tidligere teoretiske arbejde var afgørende for at styre teoriindsatsen og for at illustrere, hvad problemet var for korrekt at beskrive de eksperimentelle resultater, sagde Fernandez-Nieves.

"Parametre som formatforholdet - torusens samlede dimension divideret med rørets dimensioner - afgør, om den toroidale dråbe kan bryde op, eller hvis det simpelthen vil falde sammen i sig selv, "sagde Fragkopoulos." Vi fandt ud af, at den toroidale dråbe deformeres meget fra donutformen, når den falder sammen. Det flader, når det udvikler sig, hvilket i starten var uventet. Vi havde forventet, at torus var symmetrisk og pænt cirkulær, hvilket ikke er, hvad vi fandt. "

Opdeling eller sammenbrud af almindelige regndråber er kendt for at involvere dannelsen af ​​en doughnutlignende kant. Imidlertid, processen er temmelig ukontrolleret og foregår hurtigt, så hurtigt, at kun højhastighedskameraer kunne se det. For at tillade detaljeret undersøgelse af overgangen og billeddannelse af strømningsfeltet inden i dråberne, Fragkopoulos bremsede udviklingen dramatisk ved at skabe dråber inden for en type silikoneolie, der er seks gange mere tyktflydende end honning. I stedet for almindeligt vand, han brugte destilleret vand, hvori polyethylenglycol er blevet blandet, for yderligere at bremse dynamikken.

Vandet indføres i et roterende bad af silikoneolien ved hjælp af en lille kanyleinjektor. Ved at kontrollere pumpehastigheden og hvor nålen indsætter vandet, forskerne kan styre de geometriske parametre for de toroidale dråber, specifikt tykkelsen af ​​ringen og den relative størrelse af hullet inde i den. De dråber, de studerer, varierer i størrelse op til cirka en centimeter i diameter. "Denne enkle strategi giver udsøgt kontrol, sagde Fernandez-Nieves.

Polystyrenkugler i vandet tillader forskerne at bruge partikelbilledhastighed (PIV) til at se strømningsfelterne inden i dråberne, viser, hvordan tværsnittet afviger fra cirkulært over tid.

"Vi bruger forskellen i viskositet til at generere torus, "Forklarede Fragkopoulos." Vi bruger viskose kræfter til at generere dråberne, fordi det er vigtigt at bremse dynamikken i torus -sammenbruddet, så vi kan have nok tid og opløsning til at se strømningsfelterne udvikle sig inde i det. "

Forskning i dråbedannelse har tendens til at være applikationsfokuseret. Nu bruger Fragkopoulos og Fernandez-Nieves deres eksperimentelle og teoretiske arbejde til at løse andre videnskabelige problemer.

"Vi bruger nu metoderne til at skabe toroidale objekter fremstillet af forskellige materialer til at studere problemer i kondenseret materiale og bioingeniør, "sagde Fernandez-Nieves." Vi begyndte at arbejde på toroidale dråber med ideen om at studere, hvordan topologi og geometri påvirkede, hvordan ordnede materialer påvirkes af disse aspekter, og senere for at behandle, hvordan krumning påvirker celleadfærd. Vi ville lave ikke -private geometrier, så vi kunne undersøge, hvordan dette påvirker adfærd, "tilføjede Fragkopoulos.

Det næste trin i arbejdet er at studere elektrisk ladede dråber, som er meget udbredt industrielt. De elektriske ladninger tilføjer en ny rynke til strømningsfelterne og ændrer, hvordan de toroidale dråber transformeres. Ud over de allerede nævnte, forskningen omfattede tidligere kandidat- og bachelorstuderende i Fernandez-Nieves-laboratoriet, Ekapop Pairam og Eric Berger, og Prof. Phil Segre ved Oxford College, Georgien.