Un laser en feuille illumine une gouttelette toroïdale formée dans de l'huile de silicone pour aider les chercheurs à visualiser le mouvement du champ d'écoulement à l'intérieur de la gouttelette. Crédit :John Toon, Géorgie Tech
Pour la plupart des gens, le goutte à goutte, goutte, l'égouttement d'un robinet qui fuit serait un ennui. Mais pour Georgia Institute of Technology Ph.D. candidat Alexandros Fragkopoulos, ce qui se passe à l'intérieur des gouttelettes relève de la science sérieuse.
Dans le laboratoire d'Alberto Fernandez-Nieves à la Georgia Tech's School of Physics, Fragkopoulos étudie comment les gouttelettes toroïdales - qui prennent initialement la forme d'un beignet - évoluent en gouttelettes sphériques en s'effondrant sur elles-mêmes ou en se brisant en gouttelettes plus petites.
Le travail avec des gouttelettes a des implications pour les sciences de la vie, où les matières biologiques, y compris les cellules, subir des changements de forme rappelant le comportement des gouttelettes. Et les résultats pourraient améliorer les processus industriels allant des injecteurs de carburant aux processus chimiques qui dépendent de la formation de gouttelettes. Dans le travail, les chercheurs du laboratoire Fernandez-Nieves ont développé une nouvelle compréhension des processus qui contrôlent l'évolution de l'instable, gouttelettes en forme de beignet, en les aidant à clarifier l'interaction complexe des forces pertinentes au problème.
"La tension de surface entraîne l'évolution des gouttelettes, " a déclaré Fragkopoulos. " Les fluides ont tendance à minimiser leur surface pour un volume donné car cela minimise l'énergie nécessaire pour avoir une interface entre différents fluides. Les formes sphériques minimisent cette énergie, et comme résultat, les gouttelettes toroïdales veulent évoluer pour devenir sphériques. Nous étudions comment cette transition se produit."
En utilisant une feuille de lumière laser pour observer la diffusion des particules de polystyrène placées dans des gouttelettes formées dans une huile de silicone épaisse, les chercheurs ont observé en détail comment les gouttelettes changent de forme - et quels facteurs placent les gouttelettes sur le chemin de l'effondrement ou de la rupture. La recherche, qui a été soutenu par la National Science Foundation, a été rapporté le 1er mars dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences .
"Le forçage visqueux lors de l'effondrement du tore exerce une contrainte sur l'interface, ce qui lui fait à la fois circuler à l'intérieur du tore et déformer sa surface, " a déclaré Fragkopoulos. "Nous devons prendre en compte ces contraintes pour bien comprendre l'évolution des gouttelettes."
L'impulsion pour le travail expérimental était les incohérences entre les prédictions théoriques et la simulation informatique des transitions de gouttelettes toroïdales. Ce que les chercheurs de Georgia Tech ont trouvé tend à corroborer les résultats de la simulation. "Toutefois, les travaux théoriques antérieurs étaient essentiels pour guider les efforts théoriques et pour illustrer quel était le problème afin de décrire correctement les résultats expérimentaux, " a déclaré Fernandez-Nieves.
