La ricerca scientifica produce spesso immagini sbalorditive e i vincitori di quest’anno hanno vinto dei premi Galleria di fisica dei materiali morbidi Nessuna eccezione. I video vincitori sono stati scelti durante il meeting di marzo della scorsa settimana dell’American Physical Society a Las Vegas, Nevada, con l’effetto Cheerios, la fisica degli zoccoli e lo sfruttamento della fisica dietro le lacrime di vino per far durare più a lungo le bolle. Contributi È stata giudicata Basato su straordinarie qualità visive e interesse scientifico. Il concorso espositivo è stato creato per la prima volta lo scorso anno, ispirato in parte dall’enorme successo annuale della comunità Galleria del movimento fluido. Tutti e cinque i vincitori di quest’anno avranno l’opportunità di presentare il loro lavoro al Meeting di marzo del prossimo anno a Minneapolis, Minnesota.

Pillole di sirena

Come accennato in precedenza, ilEffetto Cheeriosdescrive la fisica alla base del motivo per cui quelle ultime “O” di gustosi piccoli granelli tendono ad ammassarsi nella ciotola: spostandosi verso il centro o verso il bordo esterno. L’effetto si può trovare anche nei granelli di polline (o uova di zanzara) che galleggiano sopra uno stagno o piccole monete galleggianti in una ciotola d’acqua. Il colpevole è una combinazione di galleggiamento, tensione superficiale e il cosiddetto “cartilagine articolare impatto. Tutto si somma azione poetica. Fondamentalmente, la massa di Cheerios non è sufficiente per rompere la tensione superficiale del latte. Ma è sufficiente mettere una piccola rientranza sulla superficie del latte nella ciotola, in modo che se due Cheerios sono abbastanza vicini, si spostino naturalmente l’uno verso l’altro. I “graffi” si fondono e la “O” si unisce. Aggiungi un altro Cheerio al composto e seguirà anche la curva del latte per spostarsi verso i suoi compagni “O”.

Misurare le forze effettive che agiscono su una scala così piccola è scoraggiante, poiché sono all’incirca sulla stessa scala del peso di una zanzara. Questo di solito viene fatto posizionando i sensori sugli oggetti e mettendoli a galla in un recinto, utilizzando i sensori per deviare il movimento naturale. Ma i Cheerios sono abbastanza piccoli che questo non era un approccio fattibile. Quindi il dottor Alireza Hooshanginejad e postdoc alla Brown University Ho usato due dischi di plastica stampati in 3D, delle dimensioni di Cheerio, e ho inserito un piccolo magnete in uno di essi. Quindi hanno posto i dischi galleggianti in una piccola vasca d’acqua, circondati da bobine elettriche, e li hanno lasciati andare alla deriva (attrazione). Le bobine, a loro volta, producevano campi magnetici, che allontanavano il disco magnetizzato dal suo partner non magnetico (repulsione).

Hooshangad et al. Sono stati in grado di derivare una legge di scala dai loro esperimenti che mettevano in relazione la forza dell’azione capillare nell’effetto Cheerios con la massa, il diametro e la spaziatura dei dischi. Ad esempio, hanno scoperto che a una certa distanza tra i dischi, le due forze opposte si bilanciano e quindi i dischi si scontrano. Hanno anche notato che alcuni modelli si sono formati in condizioni diverse. Ad esempio, la repulsione è la forza dominante quando la densità delle particelle è bassa, quindi le particelle formano un reticolo cristallino. La densità aumenta e la forza attrattiva oscilla perché le particelle sono più vicine tra loro. Questo è quando le particelle formano ammassi. Aumenta di più la forza di gravità e le particelle formeranno delle linee.

Collegare o non bloccare?

Gli zoccoli sono la rovina di molti settori diversi, da ugelli di stampanti a getto d’inchiostro, lavandini e servizi igienici, a coaguli di sangue, fogne e flusso di grano che scorre attraverso il silo, così come il flusso del traffico e il controllo della folla. Quindi, naturalmente, è di grande interesse per i ricercatori. Là Tre meccanismi di base dietro il blocco. Il setacciamento si verifica quando le particelle sono troppo grandi per passare attraverso la costrizione; Il bridging è quando le particelle si schiacciano durante la contrazione e formano un arco stabile; L’aggregazione si verifica quando piccole particelle coesive si accumulano durante la contrazione. La dinamica in tutti e tre gli scenari è influenzata anche dalla forma e dalle dimensioni delle particelle quanta deformazione.

Ben Macmillan ei suoi colleghi dell’Università di Cambridge si sono concentrati sullo scenario del “ponte”: il modo in cui i dischi di plastica (poliuretano) si impilano insieme mentre passano attraverso un piccolo foro. È simile alla fisica dell’arco di deflessione in architettura: la pressione del peso sopra comprime le particelle inferiori più saldamente insieme.

Per le loro esperienze, Macmillan et al. Utilizzare una tramoggia verticale con un foro a forma di imbuto sul fondo e osservare come le compresse a volte si aggregano formando un blocco mentre scivolano lungo l’imbuto. Per superare la sfida di analizzare materiali granulari opachi, Macmillan et al. Hanno sfruttato il fatto che i loro dischi in poliuretano rivelassero i modelli di luce all’interno se visti tra polarizzatori circolari opposti (fotoelasticità), un risultato di cambiamenti nell’indice di rifrazione. Questo modello si basa sulla forza e sulla direzione di ciascuna forza che agisce su un dato disco, quindi sono stati in grado di determinare la forza tra ciascuna particella.

Il team ha permesso ai dischi (o alle particelle) di fluire fino a formare un blocco ad arco. Hanno osservato formazioni ad arco sia stabili che stabilizzate, in cui l’occlusione alla fine collassa spontaneamente. Alcuni tamponi popolari sono durati più a lungo di altri. Questa flessibilità ottica ha permesso loro di vedere come le diverse forze si sono evolute nel tempo in ciascun arco. Hanno concluso che le fluttuazioni nell’intensità di una forza determinano se un arco sarà stabile, consentendo loro di prevedere quando si verificherà.

Marangoni vita bolla termica

Le bolle sono di natura effimera. La maggior parte di loro è esplosa in pochi minuti in un’atmosfera normale. Nel corso del tempo, l’attrazione della gravità fa sì che il liquido si scarichi gradualmente verso il basso e, allo stesso tempo, la componente liquida evapori lentamente. Man mano che la quantità di liquido diminuisce, le “pareti” delle bolle diventano molto sottili. La combinazione di questi due effetti è chiamata “rugosità”. L’aggiunta di un tipo di tensioattivo mantiene la tensione superficiale delle bolle che collassano rafforzando le pareti delle sottili pellicole liquide che le separano. E l’anno scorso, i fisici francesi ci sono riusciti Creare “bolle eterne” di particelle di plastica, glicerina e acqua, una delle quali è sopravvissuta a 465 giorni da record.

Saurabh Nath e gli altri suoi colleghi del MIT hanno escogitato un nuovo modo per prolungare la vita delle bolle: sfruttando il cosiddetto effetto Marangoni, in cui il liquido scorre da una regione di minore tensione superficiale a una regione di maggiore tensione superficiale. È il fenomeno dietro le “lacrime di vino” (alias gambe di vino o “dita”) e l’effetto anello di caffè. Stendere un sottile strato d’acqua sul bancone della cucina e posizionare una singola goccia di alcol nel mezzo, e vedrai l’acqua scorrere verso l’esterno lontano dall’alcol. La differenza nelle loro concentrazioni di alcol crea a gradiente di tensione superficiale, guidare il flusso.

Per le loro esperienze, Nath et al. Ha prodotto bolle di olio di silicone iniettato con aria e ha utilizzato una telecamera a infrarossi per osservare come si formavano e scoppiavano. La temperatura del bagno d’olio si è rivelata decisiva. Se la temperatura è più bassa (27°C), le bolle scoppieranno quasi istantaneamente. A temperature più elevate (circa 68°C), duravano più a lungo. L’olio più caldo ha prodotto un gradiente di temperatura, simile al gradiente di tensione superficiale dietro le lacrime del vino, tra la parte superiore e inferiore della bolla. Ciò ha provocato il flusso dei marangoni verso l’alto per contrastare lo sfaldamento indotto dalla gravità.

Nat et al. Segue facendo aderire le bolle a un filo metallico sospeso appena sopra la superficie dell’olio. Hanno scoperto che l’olio che fuoriesce da un menisco liquido attorno al filo alla fine è diventato instabile, a quel punto si è formata una “lacrima” di olio che è ricaduta nella vasca da bagno. I ricercatori sono stati in grado di quantificare il flusso del marangoni misurando la dimensione e la frequenza di quelle gocce lacrimali.

Poster vincenti

Anche due poster sono stati premiati alla mostra di quest’anno sulla fisica dei materiali morbidi. Il primo (“Dry annealing: control of cracks in dry suspension droplets”) è stato presentato da Mario Ibrahim e colleghi in Laboratorio fluidi del MIT. Il poster presentava la loro esplorazione dei modelli di crepe nelle gocce essiccanti, simili al modo in cui gli strati di argilla e vernice si incrinano e si asciugano, o l’effetto di un anello di caffè. Le goccioline sono sospensioni colloidali di nanoparticelle di silice in acqua.

Le goccioline vengono poste su un substrato di vetro ad asciugare e, mentre evaporano, il flusso risultante genera una forte pressione negativa fino a 100 volte quella dell’atmosfera terrestre. Ciò a sua volta si traduce in crepe che si propagano attraverso la dinamica della valanga. Il sedimento forma diversi modelli di crepe a seconda che la gocciolina iniziale abbia un angolo di contatto grande o piccolo con il substrato, formando, ad esempio, un motivo che ricorda un fiore che sboccia o un delicato sedimento circolare (nella foto, in alto a destra) che ricorda le ali di libellula. Questa sensibilità rende difficile controllare l’essiccazione delle crepe.

Il secondo poster (“Colloidal Bananas Form Colloidal Swirls”) è stato presentato da Carla Fernandez-Ricco e Roel Dolenz dell’Università di Oxford e mostra i risultati del loro studio sull’auto-organizzazione delle particelle in modelli di cristalli liquidi a forma di mezzaluna noti come “banana viscidaScoperta per la prima volta circa 20 anni fa, finora sono state classificate più di 50 “fasi banana”, determinate dal grado di curvatura molecolare e dalle dimensioni dei cristalli.

È difficile osservare come le molecole di banana si autoassemblano. Così Fernandez-Rico e Dolenz hanno sviluppato un sistema di microscopia ottica per determinare le posizioni e gli orientamenti delle particelle a forma di banana con diverse curvature. Nello specifico, hanno scoperto che mescolando “banane” ad alta curvatura con “banane” a bassa curvatura, le particelle si auto-organizzano in vortici colloidali (tre configurazioni presenti, in alto a sinistra) che sono sorprendentemente simili alle pennellate di Vincent van Gogh. notte stellata.