Een uniek type helium dat kan stromen zonder te worden beïnvloed door wrijving, heeft een KAUST-team geholpen de transformatie van snel bewegende vloeistoffen in kleine druppeltjes beter te begrijpen.

alledaagse gebeurtenissen, zoals het nemen van een douche of het aanzetten van de keukenkraan, omvatten een intrigerend fysiek fenomeen dat bekend staat als jet breakup. Wanneer een vloeistof uit een mondstuk komt en iets tegenkomt waar het zich niet onmiddellijk in kan vermengen:een gas, het vormt bijvoorbeeld een cilinder. Snel, kleine oppervlakteverstoringen en verschillende krachten zorgen ervoor dat de vloeistofbuis uiteenvalt in druppels. De hele cilinder knijpt ofwel één voor één af in druppeltjes aan de punt, neemt een golvende of kurkentrekkerachtige structuur aan, of verstoven tot een fijne spray.

Sinds het einde van de 19e eeuw, onderzoekers hebben geprobeerd het gedrag van jetbreuken te begrijpen en te voorspellen met behulp van klassieke theorieën over viscositeit, aerodynamica en oppervlaktespanning. Echter, veel eerdere onderzoeken leveren tegenstrijdig bewijs over waar de grens moet worden getrokken tussen verschillende opsplitsingswijzen - een probleem dat gevolgen kan hebben voor fabrikanten die spuittechnologieën willen optimaliseren.

"Ingenieurs zijn geïnteresseerd in het kennen van de grootte en richting van de gevormde druppeltjes en hoe ver van het mondstuk de straal intact blijft, " merkt Nathan Speirs op, een onderzoeker in het laboratorium van Sigurdur Thoroddsen bij KAUST. "Er is zoveel variatie in de manier waarop vloeistofstralen uiteenvallen."

Om dit veld voor de 21e eeuw bij te werken, de Thoroddsen-groep werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine, om een ​​apparaat te bouwen dat temperaturen van bijna het absolute nulpunt kan bereiken met vensters voor weergave met hogesnelheidscamera's. Op deze kille diepten, vloeibaar helium kan verschillende gedragingen aannemen, inclusief als een wrijvingsloze superfluïde.

De experimentele opstelling is lastig om mee te werken omdat "wanneer vloeibaar helium supervloeibaar wordt, de afwezigheid van viscositeit laat het toe om te ontsnappen aan de kleinste onvolkomenheden, die we superlekken noemen, " zegt Kenneth Langley, een ander lid van het team van Thoroddsen. "We moeten heel voorzichtig zijn bij het sluiten van de cel, en als het eenmaal gesloten is, er is geen manier om aan te passen wat erin zit."

De gedetailleerde beelden die met het nieuwe apparaat voor lage temperaturen werden geproduceerd, stelden het KAUST-team in staat om de regimes van het uiteenvallen van jets nauwkeurig te kwantificeren en fysieke factoren te identificeren die in eerdere studies over het hoofd werden gezien.

"Onze resultaten laten zien dat de gas- en vloeistofstromen even belangrijk zijn in het grensvlakgebied, een idee dat door de meeste andere studies wordt verwaarloosd, ", zegt Speirs. "De onregelmatige vormen van de gevormde druppeltjes zijn ook heel interessant, en we hopen ze in meer detail te analyseren, ", voegt Langley toe.