Svingrende dråber i rummet bekræfter afdøde professorers teori

På et tidspunkt, hvor astronomer verden over svælger i nye syn på det fjerne kosmos, har et eksperiment på den internationale rumstation givet Cornell-forskere frisk indsigt i noget, der er lidt tættere på hjemmet:vand.

Specifikt oplyste rumstationens mikrotyngdekraftsmiljø de måder, hvorpå vanddråber oscillerer og spredes over faste overflader - viden, der kunne have meget jordbundne anvendelser i 3D-print, spraykøling og fremstillings- og belægningsoperationer.

Forskerholdets papir, "Oscillations of Drops with Mobile Contact Lines on the International Space Station:Elucidation of Terrestrial Inertial Droplet Spreading," offentliggjort 16. august i Physical Review Letters . Hovedforfatteren er Joshua McCraney, Ph.D.

Eksperimentet og dets resultater, selvom det er vellykket, er også bittersøde. Avisens co-senior forfatter Paul Steen, Maxwell M. Upson professor ved Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering i College of Engineering, døde i september 2020, lige før eksperimentet blev udført.

"Det er trist, at Paul ikke nåede at se eksperimenterne blive lanceret ud i rummet," sagde co-senior forfatter Susan Daniel, Fred H. Rhodes professor ved Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering og Steens mangeårige samarbejdspartner. "Vi håber, at vi gjorde det rigtige ved ham i sidste ende, og at det papir, vi producerede fra arbejdet, ville gøre ham stolt."

Daniel begyndte at samarbejde med Steen kort efter, at hun første gang kom til Cornell som adjunkt i 2007. Mens hendes nuværende forskning er fokuseret på den biologiske grænseflade af coronavirus, var hendes kandidatarbejde inden for kemiske grænseflader og væskemekanik – et felt, hvor Steen var fremme en række teoretiske forudsigelser baseret på, hvordan dråber giver genlyd, når de udsættes for vibrationer. De to forskere forbandt sig med det samme.

"Han kendte teorien og lavede forudsigelser, og jeg vidste, hvordan jeg skulle udføre eksperimenterne for at teste dem," sagde Daniel. "Dybest set, fra det øjeblik, jeg kom hertil i 2007, til han døde, arbejdede vi på at forsøge at forstå, hvordan væsker og overflader interagerer med hinanden, og hvordan kontaktlinjen ved grænsefladen mellem dem opfører sig under forskellige forhold."

Deres samarbejde resulterede i et "fotoalbum" med snesevis af mulige former, som en oscilleret dråbe vand kan tage. Steen udvidede senere dette projekt ved at katalogisere dråbernes energitilstande, som det fremgår af disse resonansformer, og organisere dem i en "periodisk tabel"-klassifikation.

I 2016 modtog Steen og Daniel en fireårig bevilling fra National Science Foundation (NSF) og NASA's Center for Advancement of Science in Space til at udføre fluiddynamikforskning ombord på International Space Station U.S. National Laboratory.

Rummet er et ideelt sted at studere væskers adfærd på grund af den radikale reduktion af tyngdekraften, som på ISS er omkring en milliondel af dets terrestriske niveau. Det betyder, at væske-overflade-interaktioner, som er så små og hurtige på Jorden, at de praktisk talt er usynlige, i rummet kan være næsten 10 gange større – fra mikron til centimeter – og deres varighed aftager næsten 30 gange.

"Det er sværere at studere disse faldbevægelser, eksperimentelt og fundamentalt, når du har tyngdekraften i vejen," sagde Daniel.

Steen og Daniel udvalgte et par resonansformer fra deres fotoalbum, som de ønskede at udforske i detaljer med fokus på, hvordan en vanddråbes kontaktlinje – eller yderkant – glider frem og tilbage hen over en overflade og driver den måde, hvorpå væsken spredes. , et fænomen, der kan kontrolleres af varierende vibrationsfrekvenser.

Holdet udarbejdede omhyggelige instruktioner, som astronauterne skulle følge, og komprimerede fire års planlægning til et eksperiment på flere minutter, hvor hvert sekund var stramt koreograferet.

Mens forskerne overvågede og gav feedback i realtid på jorden, afsatte astronauterne 10 ml vanddråber via en sprøjte på ni forskellige hydrofobe overflader med varierende grader af ruhed. De tvang også par af dråber til at smelte sammen, og placerede dråber på en oscillator og indstillede dens vibrationer for at opnå de målrettede resonansformer. Vanddråbernes vaklende og slingrende bevægelser blev filmet, og forskerne brugte det næste år på at analysere dataene.

Denne analyse bekræftede i sidste ende Steens teorier om, hvordan en væskes tæthed og overfladespænding styrer kontaktledningens mobilitet og overvinder en overflades ruhed.

Daniel krediterer medforfatter Joshua Bostwick, Ph.D., en tidligere studerende af Steen og nu Stanzione Collaboration-lektor ved Clemson University, for at sikre, at eksperimentets resultater stemmer overens med Steens teoretiske forudsigelser.

"Josh var i stand til at fortsætte med den teoretiske side af dette arbejde i Pauls fravær, hvilket ikke var noget, jeg var klar til at træde ind i og gøre. Det var rart at få ham til at slutte sig til holdet igen og hjælpe os med at sikre, at vi var i stand til at udtrække alt, hvad vi kunne, fra de data, vi indsamlede," sagde Daniel. "Nu kan vi i det væsentlige bruge den teori, som Paul skabte, til at lave forudsigelser, for eksempel i processer, hvor du sprøjter dråber på overflader, eller i 3D-print, eller hvor væsker spredes over en overflade virkelig hurtigt."

Vanessa Kern, ph.d. var også medforfatter til avisen. + Udforsk yderligere

Nyt periodisk system med dråber kan hjælpe med at løse forbrydelser