Om du någon gång har stänkt färg på en duk eller sprayat ett kakark med olja, du skapade sannolikt – förutom en mindre röra – en skur av droppar, allt från fläckar i storleken av en krona till fläckar med penna.

Sådana droppstorlekar kan verka slumpmässiga, men nu kan ingenjörer vid MIT förutsäga en vätskas droppstorleksfördelning, inklusive sannolikheten för att producera mycket stora och mycket små droppar, baserat på en huvudegenskap:vätskans viskoelasticitet, eller klibbighet. Vad mer, teamet har upptäckt att förbi en viss klibbighet, vätskor kommer alltid att uppvisa samma relativa intervall av droppstorlekar.

Att veta hur stora eller små en vätskesprays droppar kan vara kan hjälpa forskare att identifiera optimala vätskor för ett antal industriella tillämpningar, från att förhindra defekter i billackering, till gödsling av åkrar via flygbesprutning.

Forskarnas resultat publicerades i oktober i tidskriften Fysiska granskningsbrev . Tidningens huvudförfattare är Bavand Keshavarz, en doktorand i labbet hos Gareth McKinley, som är School of Engineering professor i Teaching Innovation vid MIT och tidningens senior författare. Deras medförfattare inkluderar Eric Houze, John Moore, och Michael Koerner från Axalta Coating Systems, en Philadelphia-baserad tillverkare av färger för kommersiella fordon.

En förtjockande ingrediens

De sätt på vilka vätskor splittras, eller bryts upp i droppar, har varit en fascination i århundraden och ett aktivt studieområde under de senaste decennierna. Forskare, försök att karakterisera vätskefragmentering, har vanligtvis fokuserat på vad som kallas newtonska vätskor, vatten och olja – relativt tunna, homogena vätskor som inte innehåller några fina partiklar eller långa molekyler såsom polymerer som skulle påverka hur sådana vätskor strömmar.

I början av 2000-talet forskare härledde en enkel ekvation för att beskriva hur någon newtonsk vätska beter sig när den finfördelas, eller sprayas i droppar. Inbäddad i denna ekvation var en enda parameter, "n, " som bestämmer hur bred eller smal en vätskas droppfördelning kan vara. Ju högre värde på "n, " desto smalare är den slutliga storleksfördelningen.

Men när detta värde är relativt stort, ekvationen misslyckas med att beskriva den bredare fördelningen av droppstorlekar som observerats för mer viskoelastisk, icke-newtonska vätskor som saliv, blod, måla, och hartser. Keshavarz och McKinley misstänkte att en icke-newtonsk vätska är klibbig, eller viskoelasticitet, kan ha något med obalansen att göra.

"Vad vi ville lägga till i litteraturen var hur viskoelasticitet kan ändra denna parameter n, vilket är den viktigaste parametern eftersom den dikterar hur många droppar av en viss storlek en vätska kan producera, jämfört med den genomsnittliga droppstorleken, " säger Keshavarz. "Nu för första gången för en mängd olika vätskor, vi kunde kvantifiera det."

"Frusen i tiden"

Att göra så, Keshavarz och McKinley satte upp flera experiment för att observera vätskefragmentering i både newtonska och icke-newtonska vätskor. De använde vatten och vatten-glycerolblandningar som de klassiska newtonska vätskorna, och skapade icke-Newtonska prover genom att blanda en lösning av vatten-glycerol med varierande mängder polymerer med olika molekylvikter. De experimenterade också med flera industriella färger och hartser.

Forskarna utsatte varje vätskeprov för tre olika atomiseringstester, först släppa vätska på en plan yta, spraya dem sedan genom ett munstycke, och slutligen, bildar en spray av vätskan genom att kollidera med två strålar. Teamet använde en blixtljusteknik, ursprungligen utvecklad av MIT:s Harold "Doc" Edgerton, för att skapa bilder på delad millisekund av varje experiment.

Teamet observerade nästan 5, 000 droppar för varje vätska de testade. Deras bilder visade att i allmänhet, thinner, Newtonska vätskor producerade ett smalare intervall av droppstorlekar, oavsett vilken typ av experiment som utförs, medan de viskoelastiska vätskorna hade bredare distributioner, genererar större antal både stora och små droppar.

När de sprutades eller tappades, de viskoelastiska vätskorna skapade långa ligament, eller strängliknande projektioner, som först sträckte sig, bröts sedan sönder till små droppar.

"Varje bild får ligamenten att se frusna ut i tiden, " säger Keshavarz. "På en bråkdel av en millisekund, de går isär i ett ändligt intervall av droppstorlekar."

En universell profil

Med hänvisning tillbaka till den ursprungliga ekvationen som beskriver fragmenteringen av newtonska vätskor, Keshavarz noterade att parametern "n, " som fastställer fördelningen av droppstorlekar, bestäms också av jämnheten hos ligamenten som slutligen splittras till droppar. I bilderna av deras experiment, dock, forskarna observerade att ju mer viskoelastiska vätskor producerade stötigare, fler korrugerade ligament. Keshavarz antog att ju klibbigare en vätska är, desto mer motstår den att slätas ut eftersom den bildar ett ligament.

För att testa denna hypotes, han utvecklade ett nytt experiment, kallas ett "stegtöjningstest", där han klämde en vätska mellan två tallrikar, drog sedan snabbt isär tallrikarna, dra upp vätskan och sträcka ut den till ett ligament innan den separerades i droppar. Vid höghastighetsavbildning av dessa tester, forskarna observerade att de viskoelastiska vätskorna uppvisade stötigare ligament, som liknar pärlor på ett snöre. Ju klibbigare vätskan är, desto mer korrugerad blev ligamentet. Forskarna mätte korrugeringarna och fann att, förbi en viss klibbighet, graden av ett ledbands ojämnhet förblev densamma.

Från deras bilder av viskoelastiska strålar, forskarna mätte också hastigheten med vilken varje ligament tunnades ut, även känd som vätskans avslappningstid. Liknande, de fann att denna hastighet blir nästan konstant för viskoelastiska vätskor. Teamet utförde några beräkningar för att passa avslappningstidsmätningarna i den ursprungliga ekvationen för vätskefragmentering, och fann att, alla andra variabler är kända, parametern "n" nådde ett minimivärde oavsett hur klibbig vätskan var, motsvarande en maximal bredd i fördelningen av droppstorlekar.

Med andra ord, forskarna identifierade den bredaste spridningen av droppstorlekar som någon viskoelastisk, icke-newtonsk vätska kan möjligen uppvisa när den sprutas.

"Oavsett vilken typ av experiment, eller typen av polymer eller koncentration, vi ser denna universella distribution, och den är brett tillämpbar på ett brett utbud av vätskor, " säger McKinley.

I sista hand, han säger att denna nya förståelse av vätskefragmentering kan vara användbar inom ett antal områden inklusive förbränning, farmaceutiska och jordbrukssprayer, bläckstråleskrivare, och bilbeläggningsindustrin, där tillverkare letar efter sätt att förhindra "överspray" och öka effektiviteten i spraymålning.

"När de sprejar en bil, de måste tejpa fönstren för hur försiktig du än är, det finns alltid någon översprej, som är bortkastad färg, " säger McKinley. "Också, om du sprayar färg, de största dropparna tenderar att visa sig som defekter. Det är en anledning till att du bryr dig om droppstorleksfördelning:du vill veta hur stora de största dropparna kommer att bli, eftersom ett bra målningsarbete i slutet av dagen bör vara en perfekt slät finish."