Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

Cadere impatto su una superficie solida è un processo fondamentale in molte applicazioni che coinvolgono fabbricazione elettronico ^1, rivestimento a spruzzo ^2, e la produzione additiva mediante la stampa ^3,4, dove un controllo preciso della goccia diffusione e spruzzi d'inchiostro è desiderato. Tuttavia, l'osservazione diretta di impatto goccia è tecnicamente difficile per due ragioni. In primo luogo, si tratta di un processo dinamico complesso che si verifica all'interno di un lasso di tempo troppo breve (~ 100 msec), per essere ripreso facilmente con sistemi di imaging convenzionali, quali microscopi ottici e fotocamere DSLR. Flash photography lattina immagine corso molto più veloce, ma non consente la registrazione continua, come richiesto per l'analisi dettagliata dell'evoluzione nel tempo. In secondo luogo, la scala di lunghezza indotta da instabilità impatto può essere piccolo come 10 micron ^5. Pertanto, per studiare quantitativamente il processo impatto un sistema che combina l'imaging ultraveloce insieme ragionevolmente alta risoluzione spaziale è spessodesiderato. In assenza di tale sistema, i primi lavori sull'impatto droplet focalizzata principalmente sulla deformazione geometrica globale dopo l'impatto ^6-8, ma era in grado di raccogliere informazioni sul tempo in anticipo, i processi di non equilibrio associati con un impatto, come ad esempio l'insorgenza di spruzzi. I recenti progressi nella CMOS ad alta velocità videografia di fluidi ^9,12 hanno spinto il frame rate fino a un milione fps e tempi di esposizione giù di sotto di 1 msec. Inoltre, le tecniche di imaging CCD di nuova concezione in grado di spingere il frame rate ben al di sopra di un milione di fps ^9-12. Risoluzione spaziale d'altra parte, può essere aumentata a dell'ordine di 1 micron / pixel utilizzando lenti di ingrandimento ^12. Di conseguenza, è diventato possibile esplorare in dettaglio senza precedenti l'influenza di una vasta gamma di parametri fisici su diverse fasi di impatto goccia e di confrontare sistematicamente esperimento e teoria ^5,13-16. Per esempio, la transizione schizzi in fluidi Newtoniani era found fissato dalla pressione atmosferica ^5, mentre la reologia intrinseca decide le dinamiche di diffusione dei fluidi rendimento-stress ^17.

Ecco ancora un potente tecnica di imaging veloce semplice viene introdotto e applicato per studiare le dinamiche di impatto dei due tipi di fluidi non newtoniani: metalli liquidi e sospensioni densamente. Con l'esposizione all'aria, in sostanza, tutti i metalli liquidi (tranne il mercurio) spontaneamente sviluppare una pellicola di ossido sulla loro superficie. Meccanicamente, la pelle è trovato per modificare la tensione superficiale e la capacità effettiva bagnatura dei metalli ^18. In un precedente documento ^15, molti degli autori hanno studiato il processo di diffusione quantitativamente e sono stati in grado di spiegare come l'effetto pelle influenza la dinamica di impatto, in particolare il ridimensionamento del raggio massimo diffusione con i parametri di impatto. Dal metallo liquido ha alta riflettività superficiale, attenta adeguamento dell'illuminazione è richiesta nel imaging. Sospensioni unre composta di piccole particelle in un liquido. Anche per semplici liquidi newtoniani, l'aggiunta di particelle di ottenere un comportamento non newtoniano, che diventa particolarmente pronunciato in sospensioni dense, cioè a frazione elevato volume di particelle sospese. In particolare, l'insorgenza di spruzzi quando una gocciolina sospensione colpisce una superficie liscia e dura è stata studiata nel lavoro precedente ^16. Entrambi liquido-particelle e delle interazioni inter-particelle in grado di modificare il comportamento spruzzi significativamente da quello che ci si potrebbe aspettare da liquidi semplici. Per monitorare le particelle piccole come 80 micron di questi esperimenti è necessaria un'elevata risoluzione spaziale.

Una combinazione di vari requisiti tecnici come l'alta risoluzione temporale e spaziale, nonché la capacità di osservare gli impatti sia dal lato e dal basso, possono tutti essere soddisfatto con la messa a punto di imaging descritto qui. Seguendo un protocollo standard, descritto di seguito, le dinamiche di impatto possono essere adeguatamentetigated in modo controllato, come indicato esplicitamente per la diffusione e schizzi comportamento.