Yağmurlu bir günde bir su birikintisinin üzerinde ya da kahvenizin içerisine süt dökerken damlacıkların yüzeyde sektiğine muhtemelen şahit olmuşsunuzdur. Her ne kadar günlük hayatımızda sıklıkla karşımıza çıksa da, bu duruma neyin sebep olduğu tam olarak çözümlenememişti. Şimdi ise, bilim insanları, bunun neden bazı koşullar altında gerçekleştiğine dair yeni bir açıklama getirdi.

MIT’den bilim insanlarına göre, sıvının geri kalan kısmı ile birleşmeden önce yüzeyde bir damla sıçramasının gözlemlenmesinde anahtar etmen sıcaklık farkı. Araştırmacıların en son gerçekleştirdiği çalışmada da, bu sürecin nasıl kontrol edilebileceği detaylandırılıyor.

Bir sıvının üzerine aynı sıvıdan döktüğünüz zaman, çoğunlukla aniden birbirlerine karıştıklarını gözlemlersiniz. Ancak, bazı durumlarda, sıvının üzerinde damlacıklar oluşabilir. Literatürdeki adı ‘’kaynaşmama’’ (noncoalescence) olan bu nadir rastlanır durumun, aslında bilimde oldukça fazla kullanımı mevcuttur. Neden damlacıkların bazen yüzdüğünün çözümlenmesi, kozmetik, ilaç sanayi ya da boya sanayinde daha iyi sıvı emülsiyonlarının geliştirilmesini sağlayabilir. Ayrıca, bu olayın mikroakışkan mikroçipler gibi teknolojilerde de potansiyel uygulamaları olabilir.

Kaynaşmama durumu üzerine yapılmış çalışmalara literatürde rastlamak mümkün. Yapılan çalışmalarda, birkaç farklı teknik yardımıyla bu olayın taklit edilebileceği sonucuna da ulaşılmıştı. Karşı yüklerden oluşturulmuş damlalar, dikey olarak titreşen bir sistemde olduğu gibi, kaynaşmama eğilimindedir. Bilim insanları aynı zamanda, kaynaşmayı etkileyen çeşitli faktörlerin bulunduğunu da biliyorlar. Viskozite, yüzey gerilimi, damlacıkların düşme yüksekliği, elektrostatik yük ve damlacık boyutu gibi etmenler, damlacıkların oluşup oluşmayacağını ve ne kadar sürede kaynaşmanın gerçekleşeceğini belirleyen faktörler arasında sayılabilir. Ancak, bu durumun neden oluştuğunu anlamak ve detaylı çözümlemesini yapmak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç var.

Bir teoride bu durumun, sıvının yüzeyinin ince bir hava tabakası nedeniyle kayganlaşmasından dolayı ya da sıvının yüzeyinde havayla temas eden kısımın yapısal olarak hem sıvının geri kalanından hem de damlacıktan daha farklı olmasından dolayı gerçekleştiği öne sürülüyordu. Diğer bir taraftan, 1996 yılında yapılan bir çalışmada da sıvıların kaynaşmamasının gerekçesi olarak sıcaklık farklılıkları gösteriliyordu. Şimdi ise, MIT’den araştırmacılar, bu garip olayda yer alan sıcaklık farklılıklarının matematiksel hesaplamalarını gerçekleştirdi.

Araştırmacıların geliştirdiği yeni teori sayesinde, mühendisler iki damlacığı ayrı ayrı muhafaza etmek için gereken ilk dönüşül sıcaklığın ve kaynaşmayan damlacıkların sürdürülebilmesi için gereken maksimum ağırlığın ne olduğunu hesaplayabiliyor. Çalışma kapsamında gerçekleştirilen deneylerde, geniş bir skaladaki sıcaklıkta ve viskozitede sıvı kullanıldı. Yüksek hızlı kamera yardımıyla da, yapılan deneyler saniyede 2000 kare ile kaydedildi. Bulgulara göre; sıvı ile damla arasındaki sıcaklık farkı ne kadar yüksek olursa, kaynaşmama ihtimali de o kadar yüksek oluyor. 30 Santigrat derece sıcaklık farkında, kaynaşmama durumu yaklaşık 10 saniye kadar sürdürülebiliyor.



Çalışma, damlacığın sıvı yüzeyinde kaldığı süre ile ilk sıcaklık farkı arasında bir bağlantı olduğuna işaret ediyor. Ayrıca, damlacığın oluştuğu bir dönüşül sıcaklık mevcut. Bunun sebebi ise, sıcaklık farkının damlacık ve yüzey arasında kalan ince hava tabakasında konveksiyon veya akımlar oluşturması. Dolayısıyla sıcaklık ne kadar artarsa, akımlar da o kadar güçlü oluyor.

Araştırmacılar, sıcaklık farkı ile damlacığın sıvı yüzeyinde kaldığı süre arasındaki ilişkiyi de inceledi. Sıcaklık farkı ile damlacığın içerisinde bir akış oluşuyor. Damlacığın sıcaklığı ile sıvının sıcaklığı dengelenene kadar da, dolaşım devam ediyor. Sıcaklığın eşitlenmesi sonrası, damlacığın kaynaşması da gerçekleşiyor.

Journal of Fluid Mechanics dergisinde yayımlanan bu çalışmada, araştırmacılar tarif ettikleri bütün süreçlerin matematiksel açıklamalarına da yer verdiler.

---

Kaynaklar ve İleri Okuma:

• Suppression of coalescence by shear and temperature gradients, Physics of Fluids 8, 15 (1996); https://doi.org/10.1063/1.868811


• Persisting Water Droplets on Water Surfaces J Phys Chem B. 2010 Nov 11; 114(44): 14020–14027. doi:10.1021/jp106899k


• Non-Coalescence of Fluid Jets and Drops, APS Physics, Retrieved from http://www.aps.org/about/physics-images/archive/jetdrops.cfm


• MIT Scientists Discover How Droplets Can Levitate on a Liquid Surface, Science Alert, Retrieved from http://www.sciencealert.com/mathematical-description-why-droplets-float-noncoalescence-fluid-dynamics

---