I en tid då astronomer runt om i världen frossar i nya vyer av det avlägsna kosmos, har ett experiment på den internationella rymdstationen gett Cornell-forskare ny insikt om något lite närmare hemmet:vatten.

Specifikt belyste rymdstationens mikrogravitationsmiljö hur vattendroppar svänger och sprider sig över fasta ytor – kunskap som kan ha mycket jordbundna tillämpningar inom 3D-utskrift, spraykylning och tillverkning och beläggningsoperationer.

Forskargruppens artikel, "Oscillations of Drops with Mobile Contact Lines on the International Space Station:Elucidation of Terrestrial Inertial Droplet Spreading", publicerades 16 augusti i Physical Review Letters . Huvudförfattare är Joshua McCraney, Ph.D.

Experimentet och dess resultat, även om det lyckades, är också bitterljuva. Tidningens medförfattare Paul Steen, professor i Maxwell M. Upson vid Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering vid College of Engineering, dog i september 2020, strax innan experimentet genomfördes.

"Det är tråkigt att Paul inte fick se experimenten lanseras i rymden", säger medförfattaren Susan Daniel, professor vid Fred H. Rhodes vid Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering och Steens långvariga medarbetare. "Vi hoppas att vi gjorde rätt för honom i slutändan och att papperet som vi producerade från arbetet skulle göra honom stolt."

Daniel började samarbeta med Steen kort efter att hon först kom till Cornell som biträdande professor 2007. Medan hennes nuvarande forskning är fokuserad på det biologiska gränssnittet för coronaviruset, var hennes doktorandarbete inom kemiska gränssnitt och vätskemekanik – ett område där Steen var föra fram ett antal teoretiska förutsägelser baserat på hur droppar resonerar när de utsätts för vibrationer. De två forskarna kopplade omedelbart ihop.

"Han kände till teorin och gjorde förutsägelser, och jag visste hur jag skulle utföra experimenten för att testa dem," sa Daniel. "I grund och botten, från det ögonblick jag kom hit 2007 tills han gick bort, arbetade vi med att försöka förstå hur vätskor och ytor interagerar med varandra, och hur kontaktlinjen i gränssnittet mellan dem beter sig under olika förhållanden."

Deras samarbete resulterade i ett "fotoalbum" med de dussintals möjliga former som en oscillerad vattendroppe kan ta. Steen utökade senare det projektet genom att katalogisera dropparnas energitillstånd, vilket framgår av dessa resonansformer, och organiserade dem i en "periodiskt system"-klassificering.

2016 fick Steen och Daniel ett fyraårigt anslag från National Science Foundation (NSF) och NASA:s Center for the Advancement of Science in Space för att bedriva vätskedynamikforskning ombord på International Space Station U.S. National Laboratory.

Rymden är en idealisk plats för att studera vätskors beteende på grund av den radikala minskningen av gravitationen, som på ISS är ungefär en miljondel av dess marknivå. Detta innebär att vätske-yta-interaktioner som är så småskaliga och snabba på jorden att de är praktiskt taget osynliga, i rymden kan vara nästan 10 gånger större – från mikron till centimeter – och deras varaktighet saktar nästan 30 gånger.

"Det är svårare att studera dessa fallrörelser, experimentellt och i grunden, när du har gravitation i vägen," sa Daniel.

Steen och Daniel valde ut några resonansformer från sitt fotoalbum som de ville utforska i detalj, med fokus på hur en vattendropps kontaktlinje – eller ytterkant – glider fram och tillbaka över en yta och driver vägen för vätskan att spridas. , ett fenomen som kan kontrolleras av varierande vibrationsfrekvenser.

Teamet förberedde noggranna instruktioner för astronauterna att följa, och komprimerade fyra års planering till ett flera minuters experiment där varje sekund var noggrant koreograferad.

Med forskarna övervaka och ge feedback i realtid på marken, deponerade astronauterna 10 ml vattendroppar via en spruta på nio olika hydrofoba ytor med varierande grader av grovhet. De tvingade också par av droppar att smälta samman och placerade droppar på en oscillator och justerade dess vibrationer för att uppnå de avsedda resonansformerna. Vattendropparnas vinglande och skakande rörelser filmades och forskarna ägnade nästa år åt att analysera data.

Den analysen bekräftade slutligen Steens teorier om hur en vätskas densitet och ytspänning styr kontaktledningens rörlighet och övervinner en ytas grovhet.

Daniel tillskriver medförfattaren Joshua Bostwick, Ph.D., en tidigare student till Steen och nu Stanzione Collaboration-docent vid Clemson University, med att se till att experimentresultaten överensstämde med Steens teoretiska förutsägelser.

"Josh kunde fortsätta med den teoretiska sidan av detta arbete i Pauls frånvaro, vilket inte var något jag var redo att gå in i och göra. Det var trevligt att få honom att gå med i laget igen och hjälpa oss att se till att vi kunde extrahera allt vi kunde från den data vi samlade in," sa Daniel. "Nu kan vi i huvudsak använda teorin som Paul skapade för att göra förutsägelser, till exempel i processer där du sprejar droppar på ytor, eller i 3D-utskrift, eller där vätskor sprids över en yta riktigt snabbt."

Vanessa Kern, Ph.D. var också medförfattare till tidningen. + Utforska vidare

Nytt periodiskt system med droppar kan hjälpa till att lösa brott