Nuova cella Flowing-Junction per lo studio delle fluttuazioni di non-equilibrio in processi di diffusione libera in micro-gravità

L’evoluzione del processo di diffusione non è omogenea come si è sempre ritenuto, ma è accompagnata da fluttuazioni della concentrazione e della velocità di carattere mesoscopico. Tali fluttuazioni sono più intense per dimensioni maggiori, con un andamento del tipo q-4 (essendo q il vettore d’onda associato al fenomeno) fino ad un valore caratteristico qroll-off sotto il quale la forza di gravità le smorza. Effettuando un esperimento di diffusione libera in condizioni di micro-gravità tale dimensione caratteristica di taglio dovrebbe aumentare fino ad un valore dell’ordine di qualche millimetro e si dovrebbe osservare il fenomeno con un’intensità più elevata. In condizioni di micro-gravità le celle di diffusione precedentemente esistenti non erano in grado di preparare un campione in cui due liquidi miscibili fossero ad un certo istante in contatto senza essere mescolati, idealmente divisi da una interfaccia infinitesima perfettamente piana ed esente da disturbi. Scopo di questa Tesi è stata la progettazione di una cella con queste caratteristiche, la sua realizzazione materiale e l’esecuzione di varie misure (a terra) in grado di testarne il funzionamento. Ho studiato tre diverse soluzioni ai problemi sopra esposti ed ho scelto di sviluppare il progetto di una cella Flowing-Junction. Questa cella è in grado di tenere separati due liquidi miscibili in due regioni distinte con un’interfaccia di contatto (in cui i liquidi sono mescolati) molto sottile. Il principio di funzionamento prevede che i due liquidi vengano introdotti dalle estremità opposte della cella e, contemporaneamente, venga rimosso del liquido da una fessura posta all’altezza della zona di contatto in cui ha inizio la diffusione. Arrestando i flussi si può far partire l’esperimento in una condizione molto vicina a quella ideale di liquidi completamente separati. Questa cella ha anche l’importante caratteristica di poter ricreare in qualsiasi momento le condizioni iniziali per iterare la misura semplicemente riavviando i flussi e quindi ripulendo nuovamente l’interfaccia. La cella ha una innovativa simmetria cilindrica per ottimizzare la pulizia dell’interfaccia che ha la forma di un disco di 2 cm di diametro. Ho costruito un prototipo di cella ed ho effettuato varie prove che hanno evidenziato qualitativamente il buon funzionamento del sistema. Un test eseguito con liquidi colorati ha permesso di valutare (sempre qualitativamente) l’effettiva separazione dei due liquidi ed il funzionamento della cella anche in condizioni di gravità destabilizzante. I due liquidi erano infatti quasi isodensi, ed il liquido con densità maggiore (di circa il 3%) era posto al di sopra del liquido meno denso. Questo prototipo ha evidenziato problemi di disomogeneità dei flussi all’interno della cella. In seguito a test specifici con vari tipi di materiali ho realizzato una cella definitiva che sfrutta degli anelli ceramici porosi per rendere omogenei tali flussi ed in particolare la ripulitura dell’interfaccia. Ho quindi messo a punto un apparato di visualizzazione Shadowgraph con il quale ho effettuato una misura quantitativa del fattore di struttura delle fluttuazioni di non-equilibrio in un processo di diffusione libera per una miscela di acqua e glicerina. Questa tecnica funziona facendo passare un fascio di luce parallela (del diametro di circa 2 cm in direzione ortogonale all’interfaccia di diffusione) che registra informazioni sull’andamento della concentrazione all’interno del campione. Le fluttuazioni di concentrazione presenti nel campione danno luogo a piccole variazioni del cammino ottico per il fascio incidente che viene modulato in fase come se le fluttuazioni fossero delle piccole lenti sottili poste sul suo cammino. Su di un piano ad una certa distanza dal campione si osservano delle modulazioni misurabili dell’intensità del fascio dalle quali possiamo ricavare, attraverso la peculiare funzione di trasferimento Shadowgraph, il fattore di struttura delle fluttuazioni. Da questa misura preliminare ho ottenuto dati confrontabili con quelli ottenuti precedentemente in questo laboratorio con altri tipi di celle in grado di preparare campioni di miscele ottimi per misure di diffusione ma non adatte a lavorare in condizioni di micro-gravità. I risultati di questo lavoro sono stati resi noti al Workshop ‘La Scienza e la Tecnologia sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS)’ dell'Agenzia Spaziale Italiana a Torino, 16-18 Maggio 2001.