Se você já espalhou tinta em uma tela ou borrifou uma assadeira com óleo, você provavelmente criou - além de uma pequena bagunça - uma chuva de gotas, variando de manchas do tamanho de uma moeda de dez centavos a manchas de ponta de lápis.

Esses tamanhos de gotículas podem parecer aleatórios, mas agora os engenheiros do MIT podem prever a distribuição do tamanho das gotículas de um líquido, incluindo a probabilidade de produzir gotas muito grandes e muito pequenas, com base em uma propriedade principal:a viscoelasticidade do líquido, ou viscosidade. O que mais, a equipe descobriu que, além de uma certa viscosidade, os fluidos sempre exibirão a mesma faixa relativa de tamanhos de gotículas.

Saber o quão grande ou pequeno podem ser as gotas de um spray de líquido pode ajudar os pesquisadores a identificar os fluidos ideais para uma série de aplicações industriais, de prevenir defeitos em trabalhos de pintura automotiva, fertilizar campos agrícolas por meio de pulverização aérea.

Os resultados dos pesquisadores foram publicados em outubro na revista. Cartas de revisão física . O autor principal do artigo é Bavand Keshavarz, um estudante de graduação no laboratório de Gareth McKinley, quem é o professor da Escola de Engenharia de Ensino de Inovação no MIT e o autor sênior do artigo. Seus co-autores incluem Eric Houze, John Moore, e Michael Koerner da Axalta Coating Systems, um fabricante de tintas para veículos comerciais com sede na Filadélfia.

Um ingrediente espessante

As maneiras pelas quais os líquidos se fragmentam, ou se desfazem em gotas, tem sido um fascínio por séculos e um campo ativo de estudo nas últimas décadas. Cientistas, tentando caracterizar a fragmentação líquida, normalmente se concentram no que é conhecido como fluidos newtonianos, como água e óleo - relativamente fino, líquidos homogêneos que não incluem partículas finas ou moléculas longas, como polímeros, que afetariam a forma como esses fluidos fluem.

No início dos anos 2000, cientistas derivaram uma equação simples para descrever como qualquer fluido newtoniano se comporta quando atomizado, ou pulverizado em gotas. Embutido nesta equação estava um único parâmetro, "n, "que determina quão larga ou estreita a distribuição de gotículas de um líquido pode ser. Quanto maior o valor de" n, "mais estreita é a distribuição final do tamanho.

Mas quando esse valor é relativamente grande, a equação falha em descrever a distribuição mais ampla de tamanhos de gotículas observados para mais viscoelástico, fluidos não newtonianos, como saliva, sangue, pintar, e resinas. Keshavarz e McKinley suspeitaram que a viscosidade de um fluido não newtoniano, ou viscoelasticidade, pode ter algo a ver com a incompatibilidade.

"O que queríamos acrescentar à literatura era como a viscoelasticidade pode alterar este parâmetro n, que é o parâmetro mais importante porque dita quantas gotas de um tamanho específico um líquido pode produzir, em comparação com o tamanho médio da gota, "Keshavarz diz." Agora, pela primeira vez para uma variedade de fluidos, fomos capazes de quantificar isso. "

"Parado no tempo"

Para fazer isso, Keshavarz e McKinley realizaram vários experimentos para observar a fragmentação de líquidos em fluidos newtonianos e não newtonianos. Eles usaram misturas de água e glicerol como os fluidos newtonianos clássicos, e criou amostras não newtonianas por meio da mistura de uma solução de água-glicerol com várias quantidades de polímeros com diferentes pesos moleculares. Eles também experimentaram várias tintas e resinas industriais.

Os pesquisadores submeteram cada amostra de líquido a três testes de atomização diferentes, primeiro jogando líquidos em uma superfície plana, em seguida, pulverizando-os através de um bico, e finalmente, formando um spray do líquido colidindo dois jatos. A equipe usou uma técnica de luz estroboscópica, originalmente desenvolvido por Harold "Doc" Edgerton do MIT, para criar imagens de divisão de milissegundos de cada experimento.

A equipe observou quase 5, 000 gotas para cada líquido testado. Suas imagens mostraram que, em geral, mais fino, Os fluidos newtonianos produziram uma gama mais estreita de tamanhos de gotículas, independentemente do tipo de experimento realizado, Considerando que os fluidos viscoelásticos tiveram distribuições mais amplas, gerando um número maior de gotas grandes e pequenas.

À medida que eram pulverizados ou deixados cair, os fluidos viscoelásticos criaram ligamentos longos, ou projeções semelhantes a cordas, que primeiro esticou, então, eventualmente, se desfez em gotas.

"Cada imagem faz com que os ligamentos pareçam congelados no tempo, "Keshavarz diz." Em uma fração de milissegundo, eles se dividem em uma gama finita de tamanhos de gotículas. "

Um perfil universal

Referindo-se à equação original que descreve a fragmentação dos fluidos newtonianos, Keshavarz observou que o parâmetro "n, "que estabelece a distribuição dos tamanhos das gotas, também é determinado pela suavidade dos ligamentos que, por fim, se fragmentam em gotas. Nas imagens de seus experimentos, Contudo, os pesquisadores observaram que quanto mais fluidos viscoelásticos produziram mais colisões, ligamentos mais ondulados. Keshavarz formulou a hipótese de que quanto mais pegajoso é um líquido, quanto mais resiste ao alisamento à medida que forma um ligamento.

Para testar essa hipótese, ele desenvolveu um novo experimento, chamado de teste "step-strain", em que ele espremeu um líquido entre duas placas, então rapidamente separou as placas, puxando o líquido para cima e esticando-o em um ligamento antes de se separar em gotas. Em imagens de alta velocidade desses testes, os pesquisadores observaram que os fluidos viscoelásticos exibiam ligamentos mais protuberantes, assemelhando-se a contas em um cordão. Quanto mais pegajoso o líquido, mais corrugado ficava o ligamento. Os pesquisadores mediram as ondulações e descobriram que, além de uma certa viscosidade, o grau de protuberância de um ligamento permaneceu o mesmo.

A partir de suas imagens de jatos viscoelásticos, os pesquisadores também mediram a taxa de afinamento de cada ligamento, também conhecido como tempo de relaxamento do líquido. De forma similar, eles descobriram que essa taxa se torna quase constante para líquidos viscoelásticos. A equipe realizou alguns cálculos para ajustar as medições do tempo de relaxamento na equação original para a fragmentação do líquido, e descobri isso, todas as outras variáveis ​​sendo conhecidas, o parâmetro "n" atingiu um valor mínimo, não importa o quão pegajoso o fluido era, correspondendo a uma amplitude máxima na distribuição de tamanhos de gota.

Em outras palavras, os pesquisadores identificaram a distribuição mais ampla de tamanhos de gotículas que qualquer viscoelástico, fluido não newtoniano pode possivelmente aparecer quando pulverizado.

"Independentemente do tipo de experimento, ou o tipo de polímero ou concentração, vemos esta distribuição universal, e é amplamente aplicável a uma ampla gama de fluidos, "McKinley diz.

Em última análise, ele diz que esta nova compreensão da fragmentação de fluido pode ser útil em uma série de áreas, incluindo combustão, sprays farmacêuticos e agrícolas, jato de tinta, e a indústria de revestimento automotivo, onde os fabricantes estão procurando maneiras de evitar a "pulverização excessiva" e aumentar a eficiência da pintura.

"Quando eles borrifam um carro, eles têm que colocar fita nas janelas porque não importa o quão cuidadoso você seja, sempre há algum spray excessivo, que é tinta desperdiçada, "McKinley diz." Além disso, se você está pulverizando tinta, as maiores quedas tendem a aparecer como defeitos. Esse é um dos motivos pelos quais você se preocupa com a distribuição do tamanho das gotas:você quer saber o tamanho das maiores gotas, porque uma boa pintura no final do dia deve ter um acabamento perfeitamente liso. "