Sviluppo di un sistema interferometrico per lo studio delle proprietà interfacciali liquido-liquido

Lo studio del comportamento di interfacce liquido–liquido è rilevante per molte applicazioni industriali (trasformazioni dei materiali nelle reazioni chimiche, processi di purificazione dei liquidi) e per la comprensione di importanti fenomeni che regolano i sistemi biologici (funzioni delle membrane, analisi delle caratteristiche dei tessuti). Il mio lavoro di tesi, che ha avuto un carattere prevalentemente sperimentale, si è inserito in un settore di ricerca finalizzato allo studio delle interfacce fluide mediante tecniche interferometriche laser. La tecnica interferometrica utilizzata ha un’elevatissima sensibilità di misura (dell’ordine del nanometro) alle deformazioni di forma della goccia. Tali deformazioni sono rivelate tramite misura dell’intensità della figura di interferenza prodotta dal fascio laser focalizzato nel centro di una singola goccia e retroriflesso dalle due superfici di interfaccia. Si sono così studiate variazioni del raggio della goccia, attorno al suo valore di equilibrio R, mai superiori a 0.0001R. Di conseguenza le oscillazioni della goccia avvengono in regime lineare, nel quale i diversi modi di vibrazione sono disaccoppiati e si possono quindi sfruttare proficuamente i risultati forniti dalla teoria idrodinamica linearizzata. In particolare, tale teoria dimostra l’esistenza di un modo di volume, che non è stato considerato, e di modi di superficie di vari ordini. La natura elettrica dell’eccitazione della goccia garantisce un accoppiamento buono e selettivo con i modi di superficie. Specificatamente, il lavoro della tesi si è focalizzato sulle seguenti questioni:
1.si è implementato un programma di calcolo che ha permesso sia una convincente spiegazione che un soddisfacente riscontro quantitativo, in condizioni diverse, del fenomeno di interferenza prodotto dai due fasci retroriflessi;
2.si è ristrutturato l'apparato nella parte ottica, utilizzando come sorgente la radiazione in uscita da una fibra monomodo accoppiata ad un laser in continua;
3. si è sviluppata una metodologia affidabile per la misura delle frequenze libere e del decadimento dei modi vibrazionali radiali di gocce; questa utilizza una gestione software centralizzata sia della strumentazione impiegata per l'eccitazione delle oscillazioni che di quella impiegata per la rivelazione e l’analisi del segnale.
L’apparato realizzato, semplice, compatto e con buone caratteristiche di versatilità e funzionalità, è servito principalmente per misure aventi come oggetto gocce di acqua di diversa dimensione immerse in decalina; è stata verificata inoltre la possibilità di un suo impiego per altri sistemi liquido–liquido. Le misure sono consistite nell’acquisizione degli spettri di potenza corrispondenti ai segnali interferometrici prodotti da una serie di gocce sottoposte a campo elettrico. Dagli spettri sono stati estratti, tramite interpolazione lorenziana, la frequenza aratteristica di oscillazione ed il decadimento associato ai meccanismi di smorzamento viscoso. È stato adottato tale tipo di interpolazione poichè in accordo con un modello del moto della goccia ad oscillatore lineare smorzato e forzato. Da queste misure sono state ricavate alcune proprietà fisiche che caratterizzano l’interfaccia liquido–liquido, fra le quali particolare attenzione è stata data alla tensione superficiale. Più in dettaglio, tramite eccitazione elettrica selettiva dei modi di oscillazione superficiali delle gocce, si sono potute misurare e studiare la frequenza caratteristica di oscillazione ed il relativo allargamento associati a quello di ordine 2 e verificare l’esistenza di quello di ordine 4, appurando la consistenza dei risultati ottenuti nelle varie sessioni di misura. Si è poi riscontrata la loro rispondenza qualitativa a quanto predetto dalla teoria idrodinamica linearizzata, tenendo conto delle effettive condizioni ambientali ed operative. I risultati presentati dimostrano dunque l’affidabilità della tecnica interferometrica per lo studio delle oscillazioni capillari in una goccia e provano l’esistenza di modi di differente simmetria. In particolare, per quanto riguarda il modo di ordine 2, si è trovata una buona rispondenza fra la teoria ed i risultati sperimentali per la frequenza di oscillazione, mentre ciò non vale per il suo allargamento. Il modello interpretativo elaborato spiega questi due diversi comportamenti osservati come imputabile a difficoltà legate alle condizioni in cui si è operato e non a problemi concettuali di comprensione generale del fenomeno. Approfondimenti teorici e studio sperimentale hanno dunque mostrato la possibilità di investigare con successo le proprietà fisiche dell’interfaccia liquido–liquido mediante misure relativamente semplici delle frequenze di risonanza e del corrispondente allargamento.