Il scoppio di una bolla potrebbe sembrare un fenomeno banale che caratterizza i giochi estivi dei bambini, ma nasconde meccanismi complessi che influenzano la diffusione di inquinanti, contaminanti e persino malattie infettive attraverso la generazione di goccioline aerosol. Mentre la comunità scientifica ha approfondito per decenni questo processo in sostanze pure, l'impatto dei contaminanti sulla dinamica dell'esplosione è rimasto sorprendentemente poco studiato. Un nuovo studio dell'Università dell'Illinois ha ora colmato questa lacuna, sviluppando un modello teorico che predice come le impurità modifichino le caratteristiche dei getti aerosol prodotti dalle bolle contaminate.
Il meccanismo nascosto dietro la contaminazione ambientale
Quando una bolla sale in superficie a causa della spinta di galleggiamento, la sua superficie si riveste delle sostanze chimiche circostanti: microplastiche, nanoplastiche, biosurfattanti e persino batteri e virus. Al momento della rottura della calotta superficiale, si innesca un meccanismo per cui le onde superficiali si concentrano e provocano l'espulsione di fluido sotto forma di getti, noti come getti di Worthington. Questo processo distribuisce i contaminanti attraverso i getti fluidi e le goccioline aerosol risultanti, creando un veicolo di diffusione particolarmente efficace.
Il professor Jie Feng, esperto di ingegneria meccanica all'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, ha guidato il team di ricerca che ha sviluppato questo innovativo approccio teorico. "Le bolle si formano comunemente o vengono utilizzate intenzionalmente in molti contesti naturali e ingegneristici", spiega Feng. "Questo meccanismo è fondamentale per comprendere fenomeni come i contaminanti trasportati dall'aria provenienti da sversamenti di petrolio e la diffusione di malattie respiratorie".
Dalla teoria alla pratica sperimentale
Per studiare il fenomeno, il laboratorio di Feng ha utilizzato un sistema specializzato con orifizio coassiale che inietta gas nell'acqua per formare bolle, rivestendole successivamente con olio siliconico. Variando le proprietà dell'olio, i ricercatori hanno potuto analizzare l'impatto delle sue caratteristiche sulle proprietà dei getti mediante riprese ad alta velocità. Zhengyu Yang, studente laureato nel laboratorio di Feng e autore principale dello studio, ha spiegato: "La mia ricerca si è concentrata sulla meccanica dei fluidi e sugli impatti ambientali legati allo scoppio delle bolle. Avevamo già stabilito le capacità sperimentali necessarie per generare dati di alta qualità su questo problema".
I risultati hanno rivelato che la dimensione delle goccioline aerosol espulse dipende da tre fattori critici: lo spessore dello strato oleoso, la viscosità dell'olio e la tensione superficiale. Per spiegare matematicamente questo comportamento, i ricercatori hanno introdotto un nuovo parametro che tiene conto della presenza dello strato oleoso, denominato "numero di Ohnesorge rivisto", in riferimento al classico numero di Ohnesorge che governa la dinamica dei getti puri.
Applicazioni nel mondo reale
Le implicazioni pratiche di questa ricerca si estendono ben oltre l'ambito accademico. Negli impianti di trattamento delle acque reflue contaminate da virus o batteri, le bolle formate dall'agitazione meccanica salgono raccogliendo microrganismi sulle loro superfici. Quando raggiungono l'atmosfera e scoppiano, spruzzano goccioline contenenti questi patogeni, creando significativi rischi ambientali e di sicurezza nelle aree circostanti gli ambienti acquatici contaminati.
La ricerca, pubblicata su Physical Review Letters e selezionata come Editors' Suggestion, offre strumenti preziosi per comprendere e mitigare la trasmissione aerea di contaminanti mediata da bolle e goccioline. "Per realizzare appieno il loro potenziale, il nostro prossimo passo è considerare lo scoppio collettivo delle bolle - studi su molte bolle che producono getti aerosol contemporaneamente, che rappresenta uno scenario più pratico nel mondo reale", anticipa Feng.
Verso nuove frontiere della ricerca
Lo studio rappresenta un punto di partenza per future ricerche più ampie. Il team spera che gli strumenti e le conoscenze acquisite in questa ricerca saranno ampiamente applicabili per chiarire l'influenza meccanicistica di una varietà di interfacce contaminate sui flussi multifase. La collaborazione ha coinvolto anche Yang Liu della Tsinghua University, sottolineando l'importanza della cooperazione internazionale nella ricerca scientifica avanzata.
Questa scoperta potrebbe rivoluzionare la comprensione di come inquinanti, microplastiche e agenti patogeni si diffondono attraverso l'atmosfera, fornendo alle autorità sanitarie e ambientali strumenti più precisi per prevedere e contenere la contaminazione. L'approccio metodologico sviluppato dal team americano apre nuove prospettive per lo studio di fenomeni complessi che coinvolgono interfacce contaminate, con potenziali applicazioni in campo medico, ambientale e industriale.
