Para la mayoria de la gente, el goteo goteo, el goteo de un grifo con fugas sería una molestia. Pero para el Ph.D. del Instituto de Tecnología de Georgia. candidato Alexandros Fragkopoulos, lo que sucede dentro de las gotas es materia de ciencia seria.

En el laboratorio de Alberto Fernandez-Nieves en la Escuela de Física de Georgia Tech, Fragkopoulos está estudiando cómo las gotas toroidales, que inicialmente toman la forma de una rosquilla, evolucionan en gotas esféricas colapsando sobre sí mismas o dividiéndose en gotas más pequeñas.

Trabajar con gotitas tiene implicaciones para las ciencias de la vida, donde los materiales biológicos, incluidas las células, sufren cambios de forma que recuerdan el comportamiento de las gotas. Y los hallazgos podrían mejorar los procesos industriales que van desde los inyectores de combustible hasta los procesos químicos que dependen de la formación de gotas. En el trabajo, Los investigadores del laboratorio Fernandez-Nieves han desarrollado una nueva comprensión de los procesos que controlan la evolución de gotitas en forma de rosquilla, ayudándoles a aclarar la compleja interacción de fuerzas relevantes para el problema.

"La tensión superficial impulsa la evolución de las gotas, ", dijo Fragkopoulos." Los fluidos tienden a minimizar su área de superficie para un volumen dado porque eso minimiza la energía requerida para tener una interfaz entre diferentes fluidos. Las formas esféricas minimizan esa energía, y como un resultado, las gotitas toroidales quieren evolucionar para volverse esféricas. Estamos estudiando cómo ocurre esa transición ".

Usando una hoja de luz láser para observar la dispersión de partículas de poliestireno colocadas en gotitas formadas dentro de aceite de silicona espeso, Los investigadores han observado en detalle cómo cambian de forma las gotas y qué factores hacen que las gotas en el camino colapsen o se rompan. La investigación, que fue apoyado por la National Science Foundation, fue reportado el 1 de marzo en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"La fuerza viscosa a medida que el toro colapsa ejerce tensión en la interfaz, lo que hace que tenga una circulación dentro del toro y deforme su superficie, ", dijo Fragkopoulos." Necesitamos tener en cuenta estas tensiones para comprender completamente la evolución de las gotas ".

El ímpetu para el trabajo experimental fueron las inconsistencias entre las predicciones teóricas y la simulación por computadora de las transiciones de gotas toroidales. Lo que encontraron los investigadores de Georgia Tech tiende a respaldar los resultados de la simulación. "Sin embargo, El trabajo teórico anterior fue esencial para orientar los esfuerzos teóricos y para ilustrar cuál era el problema a fin de describir correctamente los resultados experimentales. "dijo Fernández-Nieves.

"Parámetros como la relación de aspecto (la dimensión total del toro dividida por las dimensiones del tubo) determinan si la gota toroidal puede romperse, o si simplemente colapsará sobre sí misma, ", dijo Fragkopoulos." Descubrimos que la gota toroidal se deforma mucho de la forma de rosquilla a medida que se colapsa. Se aplana a medida que se desarrolla, que fue inicialmente inesperado. Esperábamos que el toro fuera simétrico y agradablemente circular, que no es lo que encontramos ".

Se sabe que la ruptura o colapso de las gotas de lluvia ordinarias implica la formación de un borde en forma de rosquilla. Sin embargo, el proceso es bastante descontrolado y se lleva a cabo rápidamente, tan rápido que solo las cámaras de alta velocidad podían verlo. Para permitir un estudio detallado de la transición y obtener imágenes del campo de flujo dentro de las gotas, Fragkopoulos ralentizó drásticamente la evolución al crear gotitas dentro de un tipo de aceite de silicona que es seis veces más viscoso que la miel. En lugar de agua corriente, usó agua destilada en la que se ha mezclado polietilenglicol para ralentizar aún más la dinámica.

El agua se introduce en un baño giratorio de aceite de silicona utilizando un inyector de aguja diminuto. Controlando la velocidad de bombeo y donde la aguja inserta el agua, los investigadores pueden controlar los parámetros geométricos de las gotas toroidales, específicamente el grosor del anillo y el tamaño relativo del agujero en su interior. Las gotas que estudian varían en tamaño hasta aproximadamente un centímetro de diámetro. "Esta sencilla estrategia ofrece un control exquisito, "dijo Fernández-Nieves.

Las perlas de poliestireno en el agua permiten a los investigadores utilizar la velocimetría de imágenes de partículas (PIV) para ver los campos de flujo dentro de las gotas. mostrando cómo la sección transversal se desvía de circular a lo largo del tiempo.

"Estamos usando la diferencia de viscosidad para generar el toro, ", Explicó Fragkopoulos." Estamos utilizando fuerzas viscosas para generar las gotas, porque es importante ralentizar la dinámica del colapso del toro para que podamos tener suficiente tiempo y resolución para ver los campos de flujo que se desarrollan en su interior ".

La investigación sobre la formación de gotas ha tendido a centrarse en aplicaciones. Ahora Fragkopoulos y Fernandez-Nieves están utilizando su trabajo experimental y teórico para abordar otros problemas científicos.

"Ahora estamos usando los métodos para crear objetos toroidales hechos de diferentes materiales para estudiar problemas en materia condensada y bioingeniería, ", dijo Fernández-Nieves." Comenzamos a trabajar en gotas toroidales con la idea de estudiar cómo la topología y la geometría afectan cómo los materiales ordenados se ven afectados por estos aspectos, y luego para abordar cómo la curvatura afecta el comportamiento celular. Queríamos hacer geometrías no triviales para poder estudiar cómo esto afecta el comportamiento, "añadió Fragkopoulos.

El siguiente paso en el trabajo es estudiar las gotas cargadas eléctricamente, que son ampliamente utilizados industrialmente. Las cargas eléctricas agregan una nueva arruga a los campos de flujo y cambian la forma en que se transforman las gotas toroidales. Además de los ya mencionados, la investigación incluyó a ex alumnos de grado y pregrado del laboratorio Fernández-Nieves, Ekapop Pairam y Eric Berger, y el Prof. Phil Segre en Oxford College, Georgia.