In een tijd waarin astronomen over de hele wereld genieten van nieuwe kijk op de verre kosmos, heeft een experiment op het internationale ruimtestation Cornell-onderzoekers nieuw inzicht gegeven in iets wat dichter bij huis ligt:​​water.

In het bijzonder verlichtte de microzwaartekrachtomgeving van het ruimtestation de manieren waarop waterdruppels oscilleren en zich verspreiden over vaste oppervlakken - kennis die zeer aardgebonden toepassingen zou kunnen hebben in 3D-printen, sproeikoeling en productie- en coatingactiviteiten.

Het artikel van het onderzoeksteam, "Oscillations of Drops with Mobile Contact Lines on the International Space Station:Elucidation of Terrestrial Inertial Droplet Spreading", gepubliceerd op 16 augustus in Physical Review Letters . De hoofdauteur is Joshua McCraney, Ph.D.

Het experiment en de bevindingen, hoewel succesvol, zijn ook bitterzoet. De co-senior auteur Paul Steen, de Maxwell M. Upson Professor aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering in het College of Engineering, stierf in september 2020, net voordat het experiment werd uitgevoerd.

"Het is triest dat Paul de experimenten niet in de ruimte heeft zien lanceren", zegt co-senior auteur Susan Daniel, de Fred H. Rhodes-professor aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering en Steens oude medewerker. "We hopen dat we hem uiteindelijk goed hebben gedaan en dat het papier dat we van het werk hebben gemaakt hem trots zou maken."

Daniel begon met Steen samen te werken kort nadat ze in 2007 voor het eerst bij Cornell kwam als assistent-professor. Hoewel haar huidige onderzoek is gericht op de biologische interface van het coronavirus, was haar afstudeerwerk in chemische interfaces en vloeistofmechanica - een vakgebied waarin Steen het bevorderen van een aantal theoretische voorspellingen op basis van hoe druppeltjes resoneren wanneer ze worden blootgesteld aan trillingen. De twee onderzoekers hadden direct contact.

"Hij kende de theorie en deed voorspellingen, en ik wist hoe ik de experimenten moest uitvoeren om ze te testen," zei Daniel. "Kortom, vanaf het moment dat ik hier in 2007 aankwam tot hij stierf, hebben we geprobeerd te begrijpen hoe vloeistoffen en oppervlakken met elkaar omgaan, en hoe de contactlijn op het raakvlak ertussen zich onder verschillende omstandigheden gedraagt."

Hun samenwerking resulteerde in een "fotoalbum" van de tientallen mogelijke vormen die een oscillerende waterdruppel kan aannemen. Steen breidde later dat project uit door de energietoestanden van de druppeltjes te catalogiseren, zoals blijkt uit die resonerende vormen, en ze te ordenen in een "periodieke tabel" -classificatie.

In 2016 ontvingen Steen en Daniel een vierjarige beurs van de National Science Foundation (NSF) en NASA's Center for the Advancement of Science in Space om vloeistofdynamica-onderzoek uit te voeren aan boord van het International Space Station U.S. National Laboratory.

De ruimte is een ideale plek om het gedrag van vloeistoffen te bestuderen vanwege de radicale vermindering van de zwaartekracht, die in het ISS ongeveer een miljoenste van zijn aardse niveau is. Dit betekent dat interacties tussen het vloeistofoppervlak die op aarde zo klein en snel zijn dat ze praktisch onzichtbaar zijn, in de ruimte bijna 10 keer groter kunnen zijn - van micron tot centimeters - en hun duur vertraagt ​​bijna 30 keer.

"Het is moeilijker om deze valbewegingen experimenteel en fundamenteel te bestuderen als de zwaartekracht je in de weg staat," zei Daniel.

Steen en Daniel selecteerden een paar resonantievormen uit hun fotoalbum die ze in detail wilden onderzoeken, met een focus op hoe de contactlijn van een waterdruppel - of buitenrand - heen en weer glijdt over een oppervlak, waardoor de vloeistof zich verspreidt , een fenomeen dat kan worden gecontroleerd door variërende trillingsfrequenties.

Het team bereidde nauwgezette instructies voor die de astronauten moesten volgen, en comprimeerde vier jaar planning in een experiment van enkele minuten waarin elke seconde strak werd gechoreografeerd.

Terwijl de onderzoekers in realtime op de grond toezicht hielden en feedback gaven, deponeerden de astronauten 10 ml waterdruppels via een injectiespuit op negen verschillende hydrofobe oppervlakken met verschillende gradaties van ruwheid. Ze dwongen ook paren druppeltjes om samen te smelten, en plaatsten druppeltjes op een oscillator en stemden de trillingen af ​​om de beoogde resonantievormen te bereiken. De wiebelende en wiebelende bewegingen van de waterdruppels werden gefilmd en de onderzoekers besteedden het jaar daarop aan het analyseren van de gegevens.

Die analyse bevestigde uiteindelijk Steens theorieën over de manier waarop de dichtheid en oppervlaktespanning van een vloeistof de mobiliteit van de contactlijn regelen en de ruwheid van een oppervlak overwinnen.

Daniel dankt co-auteur Joshua Bostwick, Ph.D., een voormalig student van Steen en nu universitair hoofddocent Stanzione Collaboration aan de Clemson University, om ervoor te zorgen dat de resultaten van het experiment in overeenstemming waren met Steens theoretische voorspellingen.

"Josh was in staat om door te gaan met de theoretische kant van dit werk in de afwezigheid van Paul, iets waar ik niet klaar voor was om in te stappen en te doen. Het was fijn om hem weer bij het team te hebben en ons te helpen ervoor te zorgen dat we in staat waren om Haal alles uit de gegevens die we hebben verzameld', zei Daniel. "Nu kunnen we de theorie die Paul heeft gemaakt in wezen gebruiken om voorspellingen te doen, bijvoorbeeld in processen waarbij je druppeltjes op oppervlakken spuit, of bij 3D-printen, of waar vloeistoffen zich heel snel over een oppervlak verspreiden."

Vanessa Kern, Ph.D. was ook een co-auteur van het papier. + Verder verkennen

Nieuw periodiek systeem van druppels kan helpen bij het oplossen van misdaden