Dinamica di gocce e invecchiamento di emulsioni in assenza di peso a bordo della Stazione Spaziale Internazionale

Lo studio delle dispersioni colloidali rappresenta un campo di grande interesse nella ricerca attuale. Le sospensioni colloidali, come emulsioni e schiume, sono materiali multifase in cui una fase è finemente dispersa all'interno di un'altra su scala microscopica. Lo studio delle emulsioni, delle schiume e dei singoli strati molecolari pone un'affascinante sfida teorica nella comprensione dell'intricata connessione tra caratteristiche macroscopiche e parametri microscopici, nel regno della fisica e della chimica delle interfacce, dominate da fattori come la tensione superficiale, l'assorbimento interfacciale reversibile e irreversibile e l'equilibrio dinamico tra formazione e disintegrazione complessa. In questa tesi, presenterò gli ultimi risultati di una campagna sperimentale che ha studiato la dinamica delle goccioline di emulsione in condizioni di microgravità sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Questa ricerca è stata condotta principalmente utilizzando la spettroscopia a onda diffusa (DWS) e si è avvalsa della struttura Soft Matter Dynamics (SMD) sviluppata da Airbus per l'Agenzia Spaziale Europea. L'ambiente di microgravità offre l'opportunità di studiare la dinamica intrinseca delle goccioline, senza le complicazioni dovute agli effetti legati alla gravità. Come risultato di questa indagine, è possibile identificare la dinamica dello stato stazionario, che spesso è simile alla diffusione, ma consente anche l'identificazione di eventi dinamici transitori nella vita di queste goccioline. Tali accelerazioni nella dinamica delle goccioline sono presumibilmente correlate alla coalescenza o all'aggregazione goccia-goccia con il concomitante rilascio di tensioattivi e la successiva insorgenza di forze transitorie dovute agli effetti di Marangoni. Questi processi hanno ovviamente un impatto sulla stabilità dell'emulsione. Presumibilmente, anche le correlazioni idrodinamiche giocano un ruolo importante nel determinare la natura della dinamica delle goccioline. Lo studio di questi fenomeni a terra sarebbe molto più difficile e meno preciso, a causa delle dinamiche prevalenti indotte dalla gravità, come la formazione e la sedimentazione delle gocce e gli effetti di affollamento delle gocce che ne derivano. I risultati ottenuti in microgravità sono discussi alla luce di preliminari esperimenti di laboratorio a terra: un'ampia campagna è stata condotta utilizzando “Elegant Bread Board”, una copia di laboratorio dello strumento SMD sulla ISS. I risultati di questa campagna sono stati utilizzati per definire le migliori condizioni per gli esperimenti in orbita, come la formulazione dell'emulsione e il protocollo di preparazione, e per misurare con precisione alcuni parametri critici che descrivono la propagazione della luce all'interno della cella campione, la cui esatta determinazione è necessaria per l'interpretazione dei risultati del DWS. Inoltre, un'analisi comparativa dei risultati a terra e in microgravità dovrebbe aiutare a chiarire i meccanismi che governano la stabilità dell'emulsione. Nel complesso, ci si aspetta che i risultati di queste indagini forniscano nuove informazioni sulla dinamica delle goccioline e sulla destabilizzazione delle emulsioni. Nell'attuale panorama dei processi industriali, che spesso si basano su linee guida empiriche, queste nuove conoscenze giocheranno un ruolo fondamentale nella transizione verso un approccio più sistematico e by-design nella tecnologia delle emulsioni, con sostanziali vantaggi industriali e sociali. Tutto ciò è in linea con il paradigma della green economy, realizzato attraverso la riduzione e l'ottimizzazione dell'utilizzo di additivi. Le emulsioni e le schiume, grazie alla loro diffusa utilità, possono essere molto rilevanti per le tecnologie abilitanti l'esplorazione e la colonizzazione spaziale. Ad esempio, le schiume solide possono essere utilizzate come materiali da costruzione leggeri e, cosa più importante, se realizzate con materiali reattivi agli stimoli o fotocatalitici, possono fornire materiali funzionali molto efficienti, grazie al rapporto superficie/volume molto favorevole. Molto interessante a questo proposito è anche la possibilità di produrre schiume solide basate su risorse in situ, come le regoliti, nel paradigma dell'In Situ Resource Utilization (ISRU). Inoltre, si prevede che la tecnologia delle emulsioni svolgerà un ruolo importante come tecnologia abilitante per l'esplorazione spaziale, ad esempio nel campo dello scambio termico ( sfruttando il concetto di emulsioni bollenti), ma anche per scopi di pulizia e per la progettazione di nuovi materiali (sfruttando strategie di polimerizzazione in emulsione) e nel perfezionamento dei processi di riciclaggio dei rifiuti.