En un momento en que los astrónomos de todo el mundo se deleitan con nuevas vistas del cosmos distante, un experimento en la Estación Espacial Internacional les ha dado a los investigadores de Cornell una nueva perspectiva de algo un poco más cercano a casa: el agua.
Crédito de la imagen: Universidad de Cornell
Específicamente, el entorno de microgravedad de la estación espacial iluminó cómo gotitas de agua oscilar y extenderse a través de superficies sólidas: conocimiento que podría tener aplicaciones muy ligadas a la tierra en la impresión 3D, el enfriamiento por aspersión y las operaciones de fabricación y recubrimiento.
El papel del equipo, “Oscilaciones de gotas con líneas de contacto móviles en la Estación Espacial Internacional: Elucidación de la dispersión de gotas inerciales terrestres”, publicado en Physical Review Letters. El autor principal es Joshua McCraney, MS ’19, Ph.D. ’21.
El experimento y sus hallazgos, aunque exitosos, también son agridulces. El coautor principal del artículo, Paul Steen, profesor Maxwell M. Upson en la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular de la Facultad de Ingeniería, murió en septiembre de 2020justo antes de realizar el experimento.
«Lamentablemente, Paul no pudo ver el lanzamiento de los experimentos al espacio», dijo el coautor principal. susana daniel, profesor Fred H. Rhodes en la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular, y colaborador de Steen desde hace mucho tiempo. “Esperamos haberlo hecho bien al final, y que el documento que producimos a partir del trabajo lo enorgullezca”.
Daniel comenzó a colaborar con Steen poco después de que ella llegó por primera vez a Cornell como profesora asistente en 2007. Si bien su investigación actual se centra en la interfaz biológica del coronavirus, su trabajo de posgrado fue en interfaces químicas y mecánica de fluidos, un campo en el que Steen estaba avanzando en varias predicciones teóricas basadas en cómo resuenan las gotas cuando se someten a vibraciones. Los dos investigadores se conectaron instantáneamente.
“Él conocía la teoría e hizo predicciones, y yo sabía cómo ejecutar los experimentos para probarlas”, dijo Daniel. “Básicamente, desde el momento en que llegué aquí en 2007 hasta que falleció, trabajamos tratando de entender cómo interactúan los líquidos y las superficies entre sí, y cómo se comporta la línea de contacto en la interfaz entre ellos bajo diferentes condiciones”.
Su colaboración resultó en un “album de fotos” de las docenas de posibles formas que puede tomar una gota de agua oscilante. Más tarde, Steen amplió ese proyecto al catalogar los estados de energía de las gotas como lo demuestran esas formas resonantes, organizándolas en un «tabla periódica” clasificación.
En 2016, Steen y Daniel recibieron una subvención de cuatro años de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y el Centro para el Avance de la Ciencia en el Espacio de la NASA para realizar investigacion de dinamica de fluidos a bordo del Laboratorio Nacional de EE.UU. de la Estación Espacial Internacional.
El espacio es un lugar ideal para estudiar el comportamiento de los fluidos debido a la reducción radical de la gravedad, que en la ISS es aproximadamente una millonésima parte de su nivel terrestre. Esto significa que las interacciones fluido-superficie que son tan pequeñas y rápidas en la Tierra que son prácticamente invisibles pueden ser, en el espacio, casi 10 veces más grandes, de micras a centímetros, y su duración se reduce casi 30 veces.
“Es más difícil estudiar estos movimientos de caída, experimental y fundamentalmente, cuando tienes la gravedad en tu camino”, dijo Daniel.
Steen y Daniel seleccionaron algunas formas de resonancia de su álbum de fotos que querían explorar en detalle, centrándose en cómo la línea de contacto de una gota de agua, o el borde exterior, se desliza hacia adelante y hacia atrás a través de una superficie, determinando la forma en que se propagará el líquido. , un fenómeno que puede controlarse con frecuencias de vibración variables.
El equipo preparó instrucciones meticulosas para que las siguieran los astronautas, comprimiendo cuatro años de planificación en un experimento de varios minutos en el que cada segundo estaba estrictamente coreografiado.
Con los investigadores monitoreando y brindando retroalimentación en tiempo real en tierra, los astronautas depositaron gotas de agua de 10 ml a través de una jeringa en nueve superficies hidrofóbicas diferentes con diversos grados de rugosidad. También forzaron a pares de gotas a fusionarse, colocaron gotas en un oscilador y ajustaron sus vibraciones para lograr las formas de resonancia deseadas. Se filmaron los movimientos de bamboleo y sacudidas de las gotas de agua, y los investigadores pasaron el año siguiente analizando los datos.
Ese análisis finalmente confirmó las teorías de Steen sobre la forma en que la densidad y la tensión superficial de un líquido controlan la movilidad de la línea de contacto, superando la rugosidad de la superficie.
Daniel acredita al coautor Joshua Bostwick, Ph.D. ’11, ex alumno de Steen y ahora profesor asociado de la Colaboración Stanzione en la Universidad de Clemson, se aseguró de que los resultados del experimento coincidieran con las predicciones teóricas de Steen.
“Josh pudo continuar con el lado teórico de este trabajo en ausencia de Paul, algo que no estaba listo para hacer. Fue agradable que se reincorporara al equipo y nos ayudara a asegurarnos de que pudiéramos extraer todo lo que pudiéramos de los datos que recopilamos”, dijo Daniel. «Ahora podemos usar esencialmente la teoría que Paul creó para hacer predicciones, por ejemplo, en procesos en los que se rocían gotas sobre superficies, o en impresión 3D, o donde los líquidos se esparcen por una superficie muy rápidamente».
Fuente: Universidad de Cornell
