Voor de meeste mensen, de druppel, druppelen, druppelen van een lekkende kraan zou vervelend zijn. Maar voor Georgia Institute of Technology Ph.D. kandidaat Alexandros Fragkopoulos, wat er in druppeltjes gebeurt, is het spul van serieuze wetenschap.

In het laboratorium van Alberto Fernandez-Nieves in Georgia Tech's School of Physics, Fragkopoulos bestudeert hoe ringkerndruppels - die aanvankelijk de vorm van een donut hebben - evolueren tot bolvormige druppeltjes door in elkaar te storten of uiteen te vallen in kleinere druppeltjes.

Werken met druppeltjes heeft implicaties voor de levenswetenschappen, waar biologische materialen, inclusief cellen, vormveranderingen ondergaan die doen denken aan druppelgedrag. En de bevindingen kunnen industriële processen verbeteren, variërend van brandstofinjectoren tot chemische processen die afhankelijk zijn van druppelvorming. In productie, onderzoekers in het Fernandez-Nieves-lab hebben een nieuw begrip ontwikkeld van de processen die de evolutie van onstabiele, donut-vormige druppeltjes, hen te helpen het complexe krachtenspel dat relevant is voor het probleem te verduidelijken.

"Oppervlaktespanning drijft de evolutie van de druppels, " zei Fragkopoulos. "Vloeistoffen hebben de neiging om hun oppervlakte voor een bepaald volume te minimaliseren, omdat dat de energie minimaliseert die nodig is om een ​​interface tussen verschillende vloeistoffen te hebben. Bolvormige vormen minimaliseren die energie, en als een resultaat, ringkerndruppels willen evolueren om bolvormig te worden. We onderzoeken hoe die overgang verloopt."

Met behulp van een vel laserlicht om de verstrooiing van polystyreendeeltjes te observeren die in druppeltjes zijn geplaatst die zijn gevormd in dikke siliconenolie, de onderzoekers hebben in detail waargenomen hoe druppeltjes van vorm veranderen - en welke factoren de druppeltjes op het pad zetten om in te storten of uiteen te vallen. Het onderzoek, die werd gesteund door de National Science Foundation, werd op 1 maart gerapporteerd in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences .

"De stroperige kracht als de torus instort, oefent spanning uit op het grensvlak, waardoor het zowel een circulatie in de torus heeft als het oppervlak vervormt, " zei Fragkopoulos. "We moeten rekening houden met deze spanningen om de evolutie van de druppeltjes volledig te begrijpen."

De aanleiding voor het experimentele werk waren inconsistenties tussen theoretische voorspellingen en computersimulatie van ringkerndruppelovergangen. Wat de Georgia Tech-onderzoekers vonden, lijkt de simulatieresultaten te ondersteunen. "Echter, het eerdere theoretische werk was essentieel om de theorie-inspanningen te begeleiden en om te illustreren wat het probleem was om de experimentele resultaten correct te beschrijven, ', zei Fernandez-Nieves.

"Parameters zoals de beeldverhouding - de totale afmeting van de torus gedeeld door de afmetingen van de buis - bepalen of de ringkerndruppel kan breken, of als het gewoon in zichzelf instort, " zei Fragkopoulos. "We ontdekten dat de ringkerndruppel veel vervormt van de donutvorm als hij instort. Het wordt vlakker naarmate het zich ontwikkelt, wat aanvankelijk onverwacht was. We hadden verwacht dat de torus symmetrisch en mooi rond zou zijn, dat is niet wat we hebben gevonden."

Het is bekend dat het uiteenvallen of ineenstorten van gewone regendruppels gepaard gaat met de vorming van een donutachtige rand. Echter, het proces is nogal ongecontroleerd en verloopt snel, zo snel dat alleen hogesnelheidscamera's het konden zien. Om een ​​gedetailleerde studie van de overgang en beeldvorming van het stromingsveld in de druppels mogelijk te maken, Fragkopoulos vertraagde de evolutie dramatisch door druppeltjes te creëren in een soort siliconenolie die zes keer stroperiger is dan honing. In plaats van gewoon water, hij gebruikte gedestilleerd water waarin polyethyleenglycol is gemengd om de dynamiek verder te vertragen.

Het water wordt met een kleine naaldinjector in een roterend bad van de siliconenolie gebracht. Door de pompsnelheid te regelen en waar de naald het water inbrengt, de onderzoekers kunnen de geometrische parameters van de ringkerndruppels controleren, specifiek de dikte van de ring en de relatieve grootte van het gat erin. De druppeltjes die ze bestuderen, variëren in grootte tot ongeveer een centimeter in diameter. "Deze eenvoudige strategie biedt uitstekende controle, ', zei Fernandez-Nieves.

Polystyreenkralen in het water stellen de onderzoekers in staat om deeltjesbeeldsnelheidsmeting (PIV) te gebruiken om de stromingsvelden in de druppeltjes te zien, laat zien hoe de doorsnede in de loop van de tijd afwijkt van cirkelvormig.

"We gebruiken het verschil in viscositeit om de torus te genereren, " legde Fragkopoulos uit. "We gebruiken viskeuze krachten om de druppels te genereren, omdat het belangrijk is om de dynamiek van de instorting van de torus te vertragen, zodat we genoeg tijd en resolutie hebben om de stroomvelden erin te zien ontwikkelen."

Onderzoek naar druppelvorming is meestal gericht op toepassingen. Nu gebruiken Fragkopoulos en Fernandez-Nieves hun experimentele en theoretische werk om andere wetenschappelijke problemen aan te pakken.

"We gebruiken nu de methoden voor het maken van torusvormige objecten gemaakt van verschillende materialen om problemen in gecondenseerde materie en bio-engineering te bestuderen, " zei Fernandez-Nieves. "We begonnen te werken aan ringkerndruppels met het idee om te bestuderen hoe topologie en geometrie van invloed waren op hoe geordende materialen worden beïnvloed door deze aspecten, en later om te bespreken hoe kromming het celgedrag beïnvloedt. We wilden niet-triviale geometrieën maken, zodat we konden bestuderen hoe dit gedrag beïnvloedt, " voegde Fragkopoulos eraan toe.

De volgende stap in het werk is het bestuderen van elektrisch geladen druppeltjes, die op grote schaal industrieel worden gebruikt. De elektrische ladingen voegen een nieuwe rimpel toe aan de stroomvelden en veranderen hoe de ringkerndruppels transformeren. Naast de al genoemde, het onderzoek omvatte voormalige afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten in het Fernandez-Nieves-lab, Ekapop Pairam en Eric Berger, en Prof. Phil Segre aan het Oxford College, Georgië.