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Mi chiedo per l'acqua versata
Quando versi una bevanda su un tavolo, il liquido si diffonde e poi si ferma, lasciando una pozzanghera con un confine netto. Le formule usate dagli scienziati per descrivere un tale flusso di fluido, tuttavia, affermano che l'acqua dovrebbe semplicemente continuare a diffondersi all'infinito. Tutti sanno che non è così, ma perché? Comprendere la risposta è essenziale per i processi, dalla lubrificazione degli ingranaggi al sequestro dell'anidride carbonica.
Ruben Juanes, professore associato di ingegneria civile e ambientale, insieme allo studente laureato Amir Pahlavan, al ricercatore associato Luis Cueto-Felgueroso e al professore di ingegneria meccanica Gareth McKinley, PhD '91, hanno recentemente trovato la risposta a questo enigma di lunga data.
Il classico modello a film sottile descrive la diffusione di un film liquido, ma non prevede che si fermi, afferma Pahlavan. Si scopre che il problema è di scala: ciò che in realtà sta fermando la pozzanghera sono le forze che agiscono solo su scala nanometrica, spiega. E anche se queste forze sono minuscole, il loro effetto cambia il comportamento del liquido in un modo che è evidente su scala molto più ampia.
Queste forze intermolecolari, che diminuiscono bruscamente con la distanza, svolgono un ruolo solo su oggetti estremamente vicini tra loro. Vicino al bordo di una pozzanghera, la pellicola di liquido diventa incredibilmente sottile e le superfici superiore e inferiore si toccano quasi. Lì, le interfacce liquido-solido e liquido-aria sono abbastanza vicine da essere influenzate dalle forze intermolecolari. Queste sono le forze intermolecolari mancanti nella descrizione macroscopica, dice Pahlavan. Sebbene fosse noto che queste forze dovevano essere prese in considerazione, i precedenti modelli proposti non erano riusciti a corrispondere in modo coerente alle osservazioni sperimentali. Tenendo conto della modifica su scala nanometrica della tensione superficiale vicino al bordo della pozzanghera, il modello dei ricercatori del MIT risolve molte delle incongruenze nei modelli precedenti.
I principi coinvolti riguardano molte altre situazioni in cui la capacità di calcolare come si comporterà un fluido può avere conseguenze importanti, dalla lubrificazione ai sistemi di raffreddamento. Ad esempio, per il sequestro del carbonio, che rimuove l'anidride carbonica dalle emissioni di combustibili fossili e la inietta nelle formazioni sotterranee, è essenziale comprendere come il fluido si diffonderà attraverso i pori della roccia per prevedere quanto possa essere stabile questo tipo di stoccaggio.
Inizi con qualcosa di molto semplice, come la diffusione di una pozzanghera, ma arrivi a qualcosa di molto fondamentale sulle forze intermolecolari, dice Juanes. Lo stesso processo, la stessa fisica, saranno in gioco in molti flussi complessi.