À une époque où les astronomes du monde entier se délectent de nouvelles vues du cosmos lointain, une expérience sur la Station spatiale internationale a donné aux chercheurs de Cornell un nouvel aperçu de quelque chose d'un peu plus proche de chez eux :l'eau.

Plus précisément, l'environnement de microgravité de la station spatiale a mis en lumière la façon dont les gouttelettes d'eau oscillent et se propagent sur des surfaces solides, des connaissances qui pourraient avoir des applications très terrestres dans l'impression 3D, le refroidissement par pulvérisation et les opérations de fabrication et de revêtement.

L'article de l'équipe de recherche, "Oscillations of Drops with Mobile Contact Lines on the International Space Station:Elucidation of Terrestrial Inertial Droplet Spreading", publié le 16 août dans Physical Review Letters . L'auteur principal est Joshua McCraney, Ph.D.

L'expérience et ses résultats, bien que réussis, sont également doux-amers. Le co-auteur principal de l'article, Paul Steen, professeur Maxwell M. Upson à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering du College of Engineering, est décédé en septembre 2020, juste avant la réalisation de l'expérience.

"Il est triste que Paul n'ait pas pu voir les expériences se lancer dans l'espace", a déclaré la co-auteure principale Susan Daniel, professeure Fred H. Rhodes à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering et collaboratrice de longue date de Steen. "Nous espérons que nous l'avons bien fait à la fin, et que le papier que nous avons produit à partir de ce travail le rendra fier."

Daniel a commencé à collaborer avec Steen peu de temps après son arrivée à Cornell en tant que professeur adjoint en 2007. Alors que ses recherches actuelles se concentrent sur l'interface biologique du coronavirus, ses travaux de troisième cycle portaient sur les interfaces chimiques et la mécanique des fluides, un domaine dans lequel Steen était avancer un certain nombre de prédictions théoriques basées sur la façon dont les gouttelettes résonnent lorsqu'elles sont soumises à des vibrations. Les deux chercheurs se sont instantanément connectés.

"Il connaissait la théorie et faisait des prédictions, et je savais comment exécuter les expériences pour les tester", a déclaré Daniel. "En gros, depuis mon arrivée ici en 2007 jusqu'à son décès, nous avons travaillé pour essayer de comprendre comment les liquides et les surfaces interagissent les uns avec les autres, et comment la ligne de contact à l'interface entre eux se comporte dans différentes conditions."

Leur collaboration a abouti à un « album photo » des dizaines de formes possibles que peut prendre une goutte d'eau oscillante. Steen a ensuite développé ce projet en cataloguant les états d'énergie des gouttelettes comme en témoignent ces formes résonnantes, en les organisant dans une classification de "tableau périodique".

En 2016, Steen et Daniel ont reçu une subvention de quatre ans de la National Science Foundation (NSF) et du Center for the Advancement of Science in Space de la NASA pour mener des recherches sur la dynamique des fluides à bord du laboratoire national américain de la Station spatiale internationale.

L'espace est un endroit idéal pour étudier le comportement des fluides en raison de la réduction radicale de la gravité, qui sur l'ISS est d'environ un millionième de son niveau terrestre. Cela signifie que les interactions fluide-surface qui sont si petites et si rapides sur Terre qu'elles sont pratiquement invisibles peuvent être, dans l'espace, près de 10 fois plus grandes - des microns aux centimètres - et leur durée ralentit de près de 30 fois.

"Il est plus difficile d'étudier ces mouvements de chute, expérimentalement et fondamentalement, lorsque vous avez la gravité sur votre chemin", a déclaré Daniel.

Steen et Daniel ont sélectionné quelques formes de résonance de leur album photo qu'ils voulaient explorer en détail, en mettant l'accent sur la façon dont la ligne de contact d'une goutte d'eau - ou le bord extérieur - glisse d'avant en arrière sur une surface, entraînant la propagation du liquide. , un phénomène qui peut être contrôlé en faisant varier les fréquences de vibration.

L'équipe a préparé des instructions méticuleuses à suivre par les astronautes, comprimant quatre années de planification en une expérience de plusieurs minutes dans laquelle chaque seconde était étroitement chorégraphiée.

Alors que les chercheurs surveillaient et fournissaient des commentaires en temps réel au sol, les astronautes ont déposé des gouttelettes d'eau de 10 ml via une seringue sur neuf surfaces hydrophobes différentes avec différents degrés de rugosité. Ils ont également forcé des paires de gouttelettes à fusionner et ont placé des gouttelettes sur un oscillateur et réglé ses vibrations pour obtenir les formes de résonance ciblées. Les mouvements d'oscillation et d'agitation des gouttelettes d'eau ont été filmés, et les chercheurs ont passé l'année suivante à analyser les données.

Cette analyse a finalement confirmé les théories de Steen sur la façon dont la densité et la tension superficielle d'un liquide contrôlent la mobilité de la ligne de contact, surmontant la rugosité d'une surface.

Daniel attribue au co-auteur Joshua Bostwick, Ph.D., ancien élève de Steen et maintenant professeur associé de la Stanzione Collaboration à l'Université de Clemson, le mérite d'avoir veillé à ce que les résultats de l'expérience correspondent aux prédictions théoriques de Steen.

"Josh a pu poursuivre l'aspect théorique de ce travail en l'absence de Paul, ce que je n'étais pas prêt à faire. C'était agréable de le voir rejoindre l'équipe et de nous aider à nous assurer que nous pouvions extraire tout ce que nous pouvions des données que nous avons collectées », a déclaré Daniel. "Maintenant, nous pouvons essentiellement utiliser la théorie créée par Paul pour faire des prédictions, par exemple, dans les processus où vous pulvérisez des gouttelettes sur des surfaces, ou dans l'impression 3D, ou lorsque des liquides se répandent très rapidement sur une surface."

Vanessa Kern, Ph.D. était également co-auteur de l'article. + Explorer plus loin

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