Em um momento em que astrônomos de todo o mundo estão se divertindo com novas visões do cosmos distante, um experimento na Estação Espacial Internacional deu aos pesquisadores de Cornell uma nova visão de algo um pouco mais próximo de casa:a água.
Especificamente, o ambiente de microgravidade da estação espacial iluminou as maneiras pelas quais as gotas de água oscilam e se espalham por superfícies sólidas – conhecimento que pode ter aplicações muito terrestres em impressão 3D, resfriamento por spray e operações de fabricação e revestimento.

O artigo da equipe de pesquisa, "Oscillations of Drops with Mobile Contact Lines on the International Space Station:Elucidation of Terrestrial Inertial Droplet Spreading", publicado em 16 de agosto em Physical Review Letters . O autor principal é Joshua McCraney, Ph.D.

O experimento e suas descobertas, embora bem-sucedidos, também são agridoces. O coautor sênior do artigo, Paul Steen, professor Maxwell M. Upson na Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering na Faculdade de Engenharia, morreu em setembro de 2020, pouco antes da realização do experimento.

"É triste que Paul não tenha visto os experimentos serem lançados no espaço", disse a coautora sênior Susan Daniel, professora Fred H. Rhodes na Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering e colaboradora de longa data de Steen. "Esperamos ter acertado com ele no final, e que o papel que produzimos a partir do trabalho o deixasse orgulhoso."

Daniel começou a colaborar com Steen logo depois que ela veio para Cornell como professora assistente em 2007. Embora sua pesquisa atual esteja focada na interface biológica do coronavírus, seu trabalho de pós-graduação foi em interfaces químicas e mecânica de fluidos - um campo em que Steen foi avançando uma série de previsões teóricas com base em como as gotículas ressoam quando submetidas a vibrações. Os dois pesquisadores se conectaram instantaneamente.

"Ele conhecia a teoria e fazia previsões, e eu sabia como executar os experimentos para testá-los", disse Daniel. "Basicamente, desde o momento em que cheguei aqui em 2007 até ele falecer, trabalhamos para tentar entender como líquidos e superfícies interagem entre si e como a linha de contato na interface entre eles se comporta em diferentes condições."

Sua colaboração resultou em um "álbum de fotos" das dezenas de formas possíveis que uma gota d'água oscilante pode assumir. Steen mais tarde expandiu esse projeto catalogando os estados de energia das gotículas como evidenciado por essas formas ressonantes, organizando-as em uma classificação de "tabela periódica".

Em 2016, Steen e Daniel receberam uma bolsa de quatro anos da National Science Foundation (NSF) e do Centro para o Avanço da Ciência no Espaço da NASA para realizar pesquisas de dinâmica de fluidos a bordo do Laboratório Nacional dos EUA da Estação Espacial Internacional.

O espaço é um lugar ideal para estudar o comportamento dos fluidos por causa da redução radical da gravidade, que na ISS é cerca de um milionésimo de seu nível terrestre. Isso significa que as interações fluido-superfície que são tão pequenas e rápidas na Terra que são praticamente invisíveis podem ser, no espaço, quase 10 vezes maiores – de mícrons a centímetros – e sua duração diminui quase 30 vezes.

“É mais difícil estudar esses movimentos de queda, experimental e fundamentalmente, quando você tem a gravidade em seu caminho”, disse Daniel.

Steen e Daniel selecionaram algumas formas de ressonância de seu álbum de fotos que queriam explorar em detalhes, com foco em como a linha de contato de uma gota de água - ou borda externa - desliza para frente e para trás em uma superfície, conduzindo a maneira como o líquido se espalhará , um fenômeno que pode ser controlado pela variação das frequências de vibração.

A equipe preparou instruções meticulosas para os astronautas seguirem, comprimindo quatro anos de planejamento em um experimento de vários minutos no qual cada segundo era bem coreografado.

Com os pesquisadores monitorando e fornecendo feedback em tempo real no solo, os astronautas depositaram 10 mL de gotas de água por meio de uma seringa em nove superfícies hidrofóbicas diferentes com graus variados de rugosidade. Eles também forçaram pares de gotículas a se unirem e colocaram gotículas em um oscilador e ajustaram suas vibrações para alcançar as formas de ressonância desejadas. Os movimentos oscilantes e sacudidos das gotículas de água foram filmados, e os pesquisadores passaram o ano seguinte analisando os dados.

Essa análise finalmente confirmou as teorias de Steen sobre a forma como a densidade e a tensão superficial de um líquido controlam a mobilidade da linha de contato, superando a rugosidade de uma superfície.

Daniel credita o co-autor Joshua Bostwick, Ph.D., ex-aluno de Steen e agora professor associado da Stanzione Collaboration na Clemson University, por garantir que os resultados do experimento correspondam às previsões teóricas de Steen.

"Josh foi capaz de continuar com o lado teórico deste trabalho na ausência de Paul, o que não era algo que eu estava pronto para fazer. Foi bom tê-lo de volta à equipe e nos ajudar a ter certeza de que fomos capazes de extrair tudo o que pudemos dos dados que coletamos", disse Daniel. “Agora podemos essencialmente usar a teoria que Paul criou para fazer previsões, por exemplo, em processos em que você pulveriza gotículas em superfícies, ou em impressão 3D, ou onde líquidos se espalham por uma superfície muito rapidamente”.

Vanessa Kern, Ph.D. também foi coautor do artigo. + Explorar mais

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