Capillary breakup of free and wetting liquid bridges of aqueous xanthan gum solutions

Sintesi Tecnica: Rottura Capillare di Ponti Liquidi Liberi e Bagnanti di Soluzioni Acquose di Xanthan Gum

Problematica
La rottura dei ponti liquidi guidata dalla capillarità è un fenomeno fondamentale nella meccanica dei fluidi interfacciale con applicazioni che spaziano dalla stampa inkjet alla microfluidica. Mentre la dinamica di liquidi newtoniani e di soluzioni polimeriche flessibili è relativamente ben compresa, il comportamento di polimeri semi-flessibili, come la gomma xantana (XG), presenta sfide distinte. Studi precedenti hanno evidenziato che le soluzioni di XG esibiscono una reologia estensionale differente rispetto ai polimeri flessibili, mostrando spesso una risposta elasto-capillare di breve durata. Tuttavia, esiste una lacuna significativa nella comprensione di come questi polimeri semi-flessibili si comportino in ponti liquidi bagnanti (dove il liquido rimane attaccato a substrati solidi). A differenza dei ponti liberi, i ponti bagnanti coinvolgono deformazioni estensionali-di taglio accoppiate, geometrie non assialsimmetriche e attrito della linea di contatto (CLF). Resta da chiarire se la dinamica di rottura dei ponti di XG bagnanti sia governata principalmente dal comportamento shear-thinning o se la dinamica estensionale e l'architettura molecolare giochino un ruolo dominante, e come la bagnabilità del substrato influenzi tali processi.

Metodologia
Gli autori hanno condotto esperimenti di imaging ad alta velocità per investigare la dinamica di rottura di soluzioni acquose di XG in due configurazioni:

1. Ponti Liquidi Liberi: Formati tra due piastre parallele (configurazione di gocciolamento) in aria.
2. Ponti Liquidi Bagnanti: Formati su substrati solidi (configurazione di chip microfluidico) dove i ponti liquidi collegano due uscite di canali su una superficie.

Lo studio ha utilizzato soluzioni di XG con concentrazioni variabili (fino a 400 ppm) e viscosità del solvente (miscele acqua/glicerolo). I substrati sono stati rivestiti con silani per creare superfici idrofile (TFPTS) e idrofobiche (PFDTS). Per minimizzare gli effetti elettrostatici, tutte le configurazioni sono state messe a terra.

Lo strumento analitico primario è stato una rappresentazione nello spazio delle fasi, che traccia la velocità di rottura ($U$) rispetto al diametro/larghezza minima del ponte ($d$). Questo approccio è stato scelto rispetto ai semplici grafici di evoluzione temporale ($d$ vs $t$) per rivelare meglio le dinamiche di assottigliamento istantanee, identificare le transizioni di regime e fornire un quadro oggettivo per confrontare diversi liquidi senza dipendere dalla determinazione precisa dell'insorgenza dell'instabilità o del tempo di rottura.

Risultati Chiave

• Ponti Liquidi Liberi:

  • Sono stati identificati tre regimi dinamici distinti: un regime iniziale inerzia-capillare (IC), un regime elasto-capillare (EC) di breve durata e un regime viscoso-capillare terminale (TVC).
  • L'inizio del regime EC è stato segnato da un "kink" o un massimo locale nella curva $U-d$. Lo studio ha scoperto che la velocità critica all'inizio di questo regime scala con la viscosità del solvente ($U_c \sim \eta_s^{-0.54}$) ma è quasi indipendente dalla concentrazione di polimero, suggerendo che la transizione sia guidata da un tasso di deformazione critico legato all'orientamento molecolare.
  • Nel regime TVC, la viscosità estensionale effettiva scalava linearmente sia con la concentrazione di polimero che con la viscosità del solvente ($\eta_{eff} \propto c \eta_s$). Ciò indica una risposta estensionale effettivamente simile a quella di una soluzione diluita, nonostante le soluzioni siano semi-diluite in condizioni di equilibrio. Gli autori attribuiscono questo fatto alla natura semi-flessibile della XG, che si allinea con il flusso piuttosto che subire una drammatica transizione coil-stretch, limitando così le interazioni intermolecolari anche ad alte concentrazioni.
  • Il ridimensionamento (rescaling) dei profili del ponte tramite il diametro critico ($d_c$) ha rivelato un'evoluzione quasi universale della forma del ponte libero.

• Ponti Liquidi Bagnanti:

  • A differenza dei ponti liberi, i ponti bagnanti non hanno mostrato transizioni di regime distinte. La dinamica è rimasta coerente con una singola risposta di tipo viscoso-capillare terminale durante l'intero processo di rottura.
  • La stessa legge di scala che ha collassato il regime TVC dei ponti liberi ($U \propto \gamma / (c \eta_s)$) ha collassato con successo la dinamica di rottura dei ponti bagnanti per varie concentrazioni e viscosità del solvente su una curva master.
  • Gli autori ipotizzano che la storia di flusso combinata (formazione del ponte, taglio indotto dal substrato e assottigliamento capillare) modifichi le conformazioni polimeriche precocemente nel processo, oscurando le transizioni del regime EC osservate nei ponti liberi.
  • Bagnabilità del Substrato: I ponti di XG bagnanti hanno mostrato una dipendenza marcatamente più debole dalla bagnabilità del substrato (idrofilo vs idrofobico) rispetto ai liquidi newtoniani. Mentre i ponti newtoniani mostravano cambiamenti significativi nella velocità di rottura con la bagnabilità, le soluzioni di XG sono state ampiamente insensibili, eccetto che a concentrazioni molto basse. Ciò è attribuito alla dominanza degli stress viscosi di bulk rispetto all'attrito della linea di contatto (CLF) nelle soluzioni di XG.
  • I ponti di XG bagnanti hanno esibito un maggiore allungamento assiale e hanno soppresso la formazione di colli secondari rispetto ai liquidi newtoniani, supportando ulteriormente la ridotta influenza del CLF.
  • Il ridimensionamento dei profili della linea di contatto tramite la lunghezza caratteristica $d_1$ (associata al primo massimo di velocità) ha rivelato un'evoluzione universale del profilo della linea di contatto bagnante.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di fornire nuove intuizioni sulla rottura capillare di soluzioni polimeriche semi-flessibili dimostrando che:

1. Scaling Unificato: Nonostante le differenze fondamentali nella geometria del flusso (libero vs bagnante), entrambi i sistemi possono essere descritti entro un quadro di scaling unificato basato sulla viscosità estensionale effettiva.
2. Soppressione del Regime EC: La presenza di un substrato solido altera fondamentalmente l'evoluzione delle conformazioni polimeriche, sopprimendo la distinta risposta elasto-capillare tipicamente osservata nei ponti liberi di polimeri semi-flessibili.
3. Dominanza Estensionale vs Shear: I risultati suggeriscono che, per i ponti bagnanti di polimeri semi-flessibili, la dinamica di rottura è dominata da stress viscosi di tipo estensionale piuttosto che dagli effetti di shear-thinning o dall'attrito della linea di contatto, sebbene il campo di flusso sia accoppiato.
4. Limiti dell'Estrapolazione: Lo studio sottolinea che le conclusioni tratte dagli esperimenti sui ponti liquidi liberi non possono essere direttamente estese alle geometrie supportate da substrato, poiché il substrato modifica significativamente i regimi dinamici e il ruolo dell'architettura molecolare.

Gli autori rimangono modesti riguardo ai meccanismi precisi dietro la soppressione del regime EC nei ponti bagnanti, notando che l'esatta interazione tra la storia del flusso e la conformazione polimerica richiede ulteriori indagini. Riconoscono inoltre che la concentrazione di sovrapposizione ($c^*$) per la XG è soggetta a incertezza a causa delle variazioni di forza ionica, pur sostenendo che lo scaling osservato è robusto attraverso l'intervallo testato.