För de flesta, dropp, dropp, dropp av en läckande kran skulle vara ett irritationsmoment. Men för Georgia Institute of Technology Ph.D. kandidat Alexandros Fragkopoulos, vad som händer inuti droppar är saker av seriös vetenskap.

I laboratoriet för Alberto Fernandez-Nieves i Georgia Tech's School of Physics, Fragkopoulos studerar hur toroidformade droppar - som initialt tar formen av en munk - utvecklas till sfäriska droppar genom att kollapsa in i sig själva eller bryta upp i mindre droppar.

Arbete med droppar har konsekvenser för biovetenskaperna, där biologiska material, inklusive celler, genomgå formförändringar som påminner om droppbeteende. Och resultaten kan förbättra industriella processer som sträcker sig från bränsleinsprutare till kemiska processer som är beroende av droppbildning. I arbetet, forskare i Fernandez-Nieves lab har utvecklat en ny förståelse för de processer som styr utvecklingen av instabila, munkformade droppar, hjälpa dem att klargöra det komplexa samspelet mellan krafter som är relevanta för problemet.

"Ytspänning driver utvecklingen av dropparna, "sa Fragkopoulos." Vätskor tenderar att minimera sin ytarea för en given volym eftersom det minimerar energin som krävs för att ha ett gränssnitt mellan olika vätskor. Sfäriska former minimerar den energin, och som resultat, toroidala droppar vill utvecklas till att bli sfäriska. Vi studerar hur den övergången sker. "

Med hjälp av ett ark laserljus för att observera spridningen från polystyrenpartiklar placerade i droppar bildade i tjock silikonolja, forskarna har i detalj observerat hur droppar ändrar form - och vilka faktorer som sätter dropparna på vägen att antingen kollapsa eller bryta samman. Forskningen, som fick stöd av National Science Foundation, rapporterades 1 mars i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Det viskösa tvingandet när torus kollapsar utövar påfrestningar på gränssnittet, vilket gör att den både har en cirkulation inuti torus och deformerar dess yta, "sade Fragkopoulos." Vi måste ta hänsyn till dessa påfrestningar för att helt förstå utvecklingen av dropparna. "

Drivkraften för det experimentella arbetet var inkonsekvenser mellan teoretiska förutsägelser och datorsimulering av övergångar av toroiddroppar. Vad Georgia Tech -forskarna hittade tenderar att säkerhetskopiera simuleringsresultaten. "Dock, det tidigare teoretiska arbetet var avgörande för att styra teorinsatserna och för att illustrera vad problemet var för att korrekt beskriva de experimentella resultaten, sa Fernandez-Nieves.

"Parametrar som bildförhållandet - torusens totala dimension dividerat med rörets dimensioner - avgör om den toroidala droppen kan brytas upp, eller om det helt enkelt kommer att kollapsa i sig själv, ", sa Fragkopoulos. "Vi fann att den ringformade droppen deformeras mycket från munkformen när den kollapsar. Det plattar ut när det utvecklas, vilket till en början var oväntat. Vi hade förväntat oss att torusen skulle vara symmetrisk och snyggt cirkulär, vilket inte är vad vi hittade. "

Det är känt att vanliga regndroppar går sönder eller kollapsar bildandet av en munkliknande kant. Dock, processen är ganska okontrollerad och sker snabbt, så snabbt att bara höghastighetskameror kunde se den. För att möjliggöra detaljerad studie av övergången och avbildning av flödesfältet inom dropparna, Fragkopoulos bromsade dramatiskt utvecklingen genom att skapa droppar i en typ av silikonolja som är sex gånger mer trögflytande än honung. Istället för vanligt vatten, han använde destillerat vatten i vilket polyetylenglykol har blandats för att ytterligare bromsa dynamiken.

Vattnet förs in i ett roterande bad av silikonoljan med hjälp av en liten nålinjektor. Genom att styra pumphastigheten och där nålen för in vattnet, forskarna kan styra de toroidala dropparnas geometriska parametrar, specifikt ringens tjocklek och hålets relativa storlek. Dropparna de studerar sträcker sig i storlek upp till cirka en centimeter i diameter. "Denna enkla strategi ger utsökt kontroll, sa Fernandez-Nieves.

Polystyrenpärlor i vattnet tillåter forskarna att använda partikelbildshastighet (PIV) för att se flödesfälten i dropparna, visar hur tvärsnittet avviker från cirkulärt över tid.

"Vi använder skillnaden i viskositet för att generera torus, ", förklarade Fragkopoulos. "Vi använder viskösa krafter för att generera dropparna, eftersom det är viktigt att bromsa dynamiken i torus -kollapsen så att vi kan ha tillräckligt med tid och upplösning för att se flödesfälten utvecklas inuti den. "

Forskning om droppbildning har tenderat att vara applikationsfokuserad. Nu använder Fragkopoulos och Fernandez-Nieves sitt experimentella och teoretiska arbete för att ta itu med andra vetenskapliga problem.

"Vi använder nu metoderna för att skapa toroidformade föremål gjorda av olika material för att studera problem i kondenserat material och bioingenjör, "sa Fernandez-Nieves." Vi började arbeta med toroidala droppar med tanken att studera hur topologi och geometri påverkade hur ordnade material påverkas av dessa aspekter, och senare för att ta upp hur krökning påverkar cellbeteende. Vi ville göra icke -privata geometrier så att vi kunde studera hur detta påverkar beteende, "tillade Fragkopoulos.

Nästa steg i arbetet är att studera elektriskt laddade droppar, som används i stor utsträckning industriellt. De elektriska laddningarna tillför en ny rynka till flödesfälten och förändrar hur de toroidala dropparna omvandlas. Förutom de redan nämnda, forskningen omfattade tidigare doktorander och studenter i Fernandez-Nieves lab, Ekapop Pairam och Eric Berger, och professor Phil Segre vid Oxford College, Georgien.