UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

CORSO DI DOTTORATO IN INEGNERIA DEI PRODOTTI E DEI PROCESSI INDUSTRIALI

Ciclo 32°

Proposta di progetto di dottorato

I sottoscritti, Proff. Ernesto Di Maio, Nino Grizzuti, Pier Luca Maffettone e Rossana Pasquino, Professore IIF, IF, IF e Ricercatrice, rispettivamente, afferenti al Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale, chiede di essere inserito nell’elenco dei tutors per il 32° ciclo.

Tematica di ricerca proposta:Elasticity in Bubble Breaking

Curriculum di riferimento: Ingegneria dei Materiali e delle Strutture e Ingegneria Chimica

I proponenti hanno avuto un totale di 5 dottorandi con borse ministeriali nell’ultimo triennio.

Curriculum dei proponenti

Ernesto Di MaioProfessore Associato, Scienza e Tecnologia dei Materiali da Ottobre 2015.67 articoli scientifici ISI15 capitoli in libri7 brevetti16 “invited” o “plenary” in convegni scientifici internazionali140 contributi in convegni scientifici internazionali

- Attività di relatore e correlatore per tesi di laurea: dal 2000 è stato relatore o co-relatore di circa 30 candidati per lauree triennali, specialistiche o magistrali- Attività di relatore e correlatore per tesi di Dottorato: dal 2005 è stato relatore o co-relatore per 8 tesi di dottorato.PhD External Examiner per 2 tesi di dottorato (University of Toronto, Canada e Tecnólogico de Monterrey, Mexico)

- Supercritical Fluids for Polymer Foams, Scaffolds, and Organogels Symposium Organizer 2016 AIChE Annual Meeting, San Francisco, USA, 2016- Program Committee Member SPE Foams 2015, Kyoto, Japan, 2015- Co-organizzatore del congresso Biofoams, 2015, 2011, 2007- Foam Symposium Organizer al 30° congresso annuale della Polymer Processing Society - PPS 30, Cleveland, OH, USA, 2014- Program Committee Member - CellMat, Dresden, Germany, 2016, 2014, 2012Membro del Comitato editoriale del “Journal of Supercritical Fluids”, Elsevier B.V. e di “Frontiers in Polymer Chemistry”, Nature Publishing Group

Responsabile Scientifico di progetti di ricerca e sviluppo con aziende nazionali ed internazionali, tra le quali JSP International S.A.R.L., Pirelli Labs S.p.A., Amiflex S.r.l., Xilopack S.r.l.

L’attività scientifica è stata svolta prevalentemente presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale dell’Università degli Studi di Napoli Federico II ed è stata integrata da periodi di attività scientifica svolta presso la Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies of the Friedrich- Alexander Universitat Erlangen-Nurnberg, in Germania, presso l’Università di Houston, Texas, USA, nonché dalla collaborazione con l’Istituto per i Polimeri, i Compositi e Biomateriali (ex-ITMC ed ex-IMCB) del Consiglio Nazionale delle Ricerche. L’attività è stata incentrata sullo studio dei materiali polimerici e compositi, in particolare di polimeri biodegradabili di origine sintetica oppure naturale. Il campo nel quale l’impegno scientifico è stato preminente è quello dello studio, della realizzazione, della caratterizzazione e della modellazione delle strutture polimeriche espanse per applicazioni in edilizia, nell’imballaggio e nell’ingegneria tissutale. La schiumatura di polimeri termoplastici, con le tematiche di processo, le proprietà termiche, reologiche, meccaniche, dilatometriche, termodinamiche, interfacciali e di trasporto di massa dei sistemi polimero-agente espandente, le tematiche delle interazioni con i sistemi biologici, i materiali compositi e nanocompositi, sono alcuni esempi di settori nei quali l’attività scientifica è stata più significativa.

I risultati della ricerca sul tema “materiali ibridi da un polimero espanso e una carica inorganica” sono confluiti, nel 2006, nel brevetto italiano IT2006MI01325, esteso nel 2008 in Europa, USA, Canada, Russia, Cina, Giappone (WO 2008007187; US8,124,662). Fondatore della società di spin-off Hypucem S.r.l. (2009)

I risultati della ricerca sul tema “espansi microcellulari” sono confluiti, nel 2013, nella domanda di brevetto italiano RM2013A000410.

Nino GrizzutiProfessore Ordinario di Principi di Ingegneria Chimica presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II”

È autore o co-autore di circa 100 pubblicazioni scientifiche, la maggior parte delle quali su riviste internazionali con comitato di revisione

Dal 1989 al 2005 e dal 2012 ad oggi è membro dell’Editorial Board della rivista internazionale “Journal of Rheology”Dal 1999 al 2013 è stato membro dell’Editorial Board della rivista internazionale “Journal of Polymer Engineering”Dal 2014 è Editor in Chief della rivista internazionale “Journal of Polymer Engineering”Dal Gennaio 2011 al Dicembre 2013 è stato Presidente del GRICU: GRuppo di Ingegneria Chimica dell’Università

AREE DI RICERCA

Cristallizzazione in flusso di polimeri termoplasticiReologia ed equazioni costitutive per liquidi polimericiReologia e microstruttura di cristalli liquidi polimericiInterazioni flusso-morfologia in blend polimericiProprietà di flusso di fluidi strutturatiCinetiche di disattivazione enzimatica in processi di interesse biotecnologicoReologia di polimeri caricati e nanocaricati

E’ stato relatore di circa 100 tesi di laurea e di 7 Dottorati di Ricerca in Ingegneria Chimica.Ha partecipato come docente a numerosi corsi e scuole di specializzazione e di formazione in Italia e all’estero.Dal 2001 al 2006 è stato Coordinatore del Collegio di Dottorato di Ricerca in Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione dell’Università di Napoli

Dal Marzo 2013 è Coordinatore del Corso di Studi in Ingegneria Chimica dell’Università degli Studi di Napoli “Federico II”.

2012 - oggi Titolare del corso di Principi di Ingegneria Chimica per la Laurea Triennale in Ingegneria Chimica

2014 - oggi Titolare del corso di Reologia per la Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica2010 - 2012 Titolare dei corsi di Principi di Ingegneria Chimica per la Laurea Triennale in

Ingegneria Chimica; Meccanica dei Fluidi Complessi per le Lauree Specialistiche di Ingegneria Chimica e Ingegneria dei Materiali, tutti tenuti presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II”

2003 - 2010 Titolare dei corsi di: Fenomeni di Trasporto I per la Laurea Triennale in Ingegneria Chimica; Fenomeni di Trasporto per la Laurea specialistica in Ingegneria Chimica; Meccanica dei Fluidi Complessi per le Lauree Specialistiche di Ingegneria Chimica e Ingegneria dei Materiali, tutti tenuti presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II”

1997 - 2003 Titolare del corso di Principi di Ingegneria Chimica I presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II”

1992 – 2000 Titolare del corso di Meccanica dei Fluidi non-Newtoniani presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II”

1983 - 1991 Titolare delle esercitazioni dei corsi di Dinamica e Controllo dei Processi Chimici e Chimica Fisica presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II”

Pier Luca MaffettoneProfessore Ordinario di Ingegneria Chimica presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II”Direttore del Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale, Università degli Studi di Napoli Federico IIMember at large of the Executive Committee of the European Society of RheologyMember of the Editorial Board of Rheologica ActaFellowship of the Accademia dei Lincei 1989

RECENT SYMPOSIA ACTIVITYSymposium Chairman, 6th European Rheology Conference AERC 2010, Goteborg Sweden 07 – 09 April 2010Co-chair del Symposium “Emulsions and Foams” al International Congress on Rheology 2012, Lisbona, PortogalloCo-Chair of the Simposium “Emulsions and Foams” 2-5 Aprile 2013, 8th European Rheology Conference AERC 2013 Leuven, BelgiumCo-chair of the Simposium “Non-Newtonian fluid mechanics and flow simulation”, 8-11 Aprile 2014, 9th European Rheology Conference AERC 2014, Karlsruhe, GermanyCo-chair of the Simposium “Interfacial phenomena, foams and emulsion”, 10th European Rheology Conference AERC 2015, 14-17 Aprile 2015 Nantes, France.

RESEARCH ACTIVITYL’attività di ricerca del prof. Maffettone si incentra su un approccio sistemistico all’analisi dei processi e ai fenomeni chimico-fisici di interesse nell’ingegneria di processo. L’attività di ricerca si è incentrata sullo sviluppo di metodi matematici per l’analisi e la simulazione numerica di problemi di interesse nell’industria di processo. All’interno dell’attività, sono stati trattati i seguenti argomenti: la reologia di polimeri liquido-cristallini, la devolatilizzazione dei polimeri, la reologia di blends, la cristallizzazione indotta da flusso di polimeri semicristallini, il comportamento in flusso di sospensioni viscoelastiche. Pier Luca Maffettone è autore di più di 110 articoli su riviste scientifiche e ha partecipato come relatore a più di 100 congressi internazionali. Svolge attività di revisione per numerose riviste scientifiche internazionali.

SELECTION OF RECENT PUBLICATIONSK. Shahzad, G. D’Avino, F. Greco, S. Guido and P. L. Maffettone, Numerical investigation of hard-gel microparticle suspension dynamics in microfluidic channels: Aggregation/fragmentation phenomena, and incipient clogging, Chemical Engineering Journal, 303, 202-216 (2016)M. M. Villone, F. Greco, M. A. Hulsen and P. L. Maffettone, Numerical simulations of deformable particle lateral migration in tube flow of Newtonian and viscoelastic media, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 234, 105-113 (2016)M. De Corato, J. J. M. Slot, M. Hutter, G. D’Avino, P. L. Maffettone and M. A. Hulsen, Finite element formulation of fluctuating hydrodynamics for fluids filled with rigid particles using boundary fitted meshes, Journal of Computational Physics, 316, 632-651 (2016)F. Del Giudice, F. Greco, P. A. Netti and P. L. Maffettone, Is microrheometry affected by channel deformation?, Biomicrofluidics, 10, 043501 (2016)M. Trofa, M. M. Villone, G. D’Avino, M. A. Hulsen, P. A. Netti and P. L. Maffettone, Numerical simulations of the separation of elastic particles in a T-shaped bifurcation, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 233, 75-84 (2016)

D. Tammaro, G. D’Avino, E. Di Maio, R. Pasquino, M. M. Villone, D. Gonzales, M. Groombridge, N. Grizzuti and P. L. Maffettone, Validated modeling of bubble growth, impingement and retraction to predict cell-opening in thermoplastic foaming, Chemical Engineering Journal, 287, 492-502 (2016)

Rossana PasquinoRicercatrice di Ingegneria Chimica presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II” dal 2012

2015 Visiting researcher a ETH, Zurich, Switzerland per un progetto COST

2009 – 2011 Marie Curie Post-doc a IESL, FORTH, Crete, Greece

SUPERVISION OF STUDENTS 2012 – 2016 2 PhD students/20 Master thesis students/13 Bachelor thesis studentsUniversità degli Studi di Napoli Federico II, DICMAPI, Napoli, Italy

TEACHING ACTIVITIES 2012 –2013 Chair of “Transport and interfacial phenomena in food industry” for a Master course entitled “Optimization and process innovation in food production”, financed by HEINZ, Università degli Studi di Napoli Federico II, ItalyChair of “Rheology” for INDEVCO, at IESL, FORTH, Crete, Greece2013 – 2014 Chair of “Rheology” and “Laboratory of Rheology” for Master students of Chemical and Mechanical Engineering courses at Università degli Studi di Napoli Federico II, ItalyChair of “Rheology” for INDEVCO, at IESL, FORTH, Crete, Greece2014 – 2016 Chair of “Transport Phenomena” for Bachelor students of Bioengineering at Università degli Studi di Napoli Federico II, Italy2010 – 2014 Reviewer activities for various international journals (Soft Matter, Journal of Rheology, Rheologica Acta, Europhysics letters, Journal of Polymer Engineering, Polymer, Physics of Fluid, Entropy, Macromolecules)2016 - oggi Academic Editor di AIP Advances.

MAJOR COLLABORATIONS- A joint international collaboration has allowed discovering the relaxation of highly purified ring polymers and is still an ongoing research activity involving: Forth and University of Athens in Greece (Prof. Vlassopoulos and Prof. Hadijchristidis), University of Pohang in Korea (Prof. Chang), Forschungszentrum Juelich in Germany (Dr. Pyckhout-Hintzen) and University of North Carolina in USA (Prof. Rubinstein)- A strong collaboration with the Chemistry Department of the University of Napoli Federico II: Prof. De Rosa and Prof. Auriemma on dynamics (rheological characterization and scattering) of different architecturally complex polymers as well as copolymers, biopolymers etc; Prof. Gerardino D’Errico, dealing with surfactants - Prof. G. Roviello and Dr. Borbone, dealing with liquid crystals- A strong collaboration with Forschungszentrum Juelich in Germany (with exchange of students and ideas) deals with nanocomposites and surfactants as main subjects (Dr. Pyckhout-Hintzen)- A long term collaboration with KULeuven on self-assembly of particles in viscoelastic fluids is consolidated (Prof. Vermant)- Different Italian and international companies (Perfetti Van Melle, P&G, Eni spa, Italcementi, Rolls Royce, Enereco, Umbra to name a few)

Rossana Pasquino is author of more than 25 papers in international journals. She presented more than 30 papers at international conferences.

Sintesi del Progetto di Ricerca

Stato dell’arte

This project is a continuation of the PhD program pursued by Daniele Tammaro (March 2016). The breaking of the thin film excites the curiosity of young and elderly when playing with soap bubbles or bubble gums, and has fascinated scientists for centuries. Indeed, it is a phenomenon of great technological relevance in various fields, from polymer foaming to food industry, and it can involve several categories of fluids. We are interested in the breaking dynamics, depending on the viscoelastic properties of the fluid and the flow history before rupturing. Indeed, when the fluid entrapping air is viscoelastic, an unusual rupture behavior can take place. This has been observed for the first time at the end of the last century, with a rupturing velocity much higher than the Newtonian limit. Figure 1 shows an example of the Big Babol breaking, under two different conditions: the left figure describes the rupture after a very slow inflation process, whereas the right figure shows the bubble breaking after a fast inflation.

Figure 1. Snapshots of the bubble gum rupture, when the inflation history is slow (left) or fast (right).

Obiettivo

The aim of this project is to investigate the way elastic energy (stored during the unrelaxed bubble inflation) accelerates rupture, and to derive a general model to describe the phenomenon. We believe that elasticity can be used as a tool to design materials (as in the case of the different morphologies arising in polymeric foams), to design technologies involving bubbles (such as in oil or food industries), to control biological functions (such as those related to vesicle rupture and DNA fragmentation), and to understand natural phenomena (such as magma bubbling).

Descrizione dell’attività

Experimental equipment is available to study the fast evolution of breaking bubbles with model viscoelastic fluids. It has been built up during the thesis of Tammaro and it is equipped mainly with a bubble inflation home-made system and a fast camera able to record numerous and consecutive images. The project needs the following steps fulfillment:

1) Identification and preparation of model fluids

The Phd student will identify the model fluids, possible candidates to be used experimentally. The idea is to use different fluids: Newtonian fluids with different viscosities, elastic liquids with no thinning behavior (Boger fluids with different elasticity and viscosity values), Maxwell-like systems (mainly worm like micellar solutions) and polymer based solutions.

2) Physical characterization of the chosen fluids

The fluids will be characterized rheologically by using stress and strain controlled rheometers, already available at DICMaPI. Their interfacial tension will be also measured via a tensiometer. These experiments will provide the physical parameters to be used for the rupture velocity prediction in the mathematical model (previously developed) and in the next described simulations.

3) Bubble breaking experiments

Bubbles will be inflated with the home-made apparatus at different velocities. The bubble rupture will be produced at different inflating levels, just after the inflation or after a specific time delay, which will be a fraction or a multiple of the fluid relaxation time. Images will be recorded with a fast camera in a way to obtain the dynamics of the hole opening. Experimental results will be compared with a toy mathematical model, already developed. This is the core part of the Phd, where the role of the inflation history and of the fluid elasticity should be deeply studied and emerge.

4) Simulative experiments

A 2D simulative approach will be used to study the physical problem. The fluid parameters, experimentally derived (see point 2), will we used in the constitutive equation to simulate the fluid behavior during bubble breaking. The hole opening predictions will be compared with the experiments and some dimensionless parameters will be defined able to describe the problem with an engineering approach.

Informazioni sintetiche relative a: attrezzature/software disponibili, disponibilità finanziaria, collaborazioni con altri enti di ricerca italiani e ed esteri (eventualmente anche con aziende) potenzialmente rilevanti con riferimento specifico alla tematica proposta.

The experimental research will be mainly performed at DICMaPI, more specifically in the Soft Matter, Foaming and Rheology Group. The proposal members have active and international collaborations with many research groups in Italy and abroad, with exchange of students, projects and ideas. The overlap subjects are fluid dynamics, rheology, synthesis and production of polymers and composites.

Equipments

Rheometers (stress controlled: Physica MCR 702 Anton Paar, SR 200 National Instruments; strain controlled: ARES, TA Instruments) equipped with various geometries and extensional tools.Home-made apparatus for bubble inflation and rupture equipped with a superfast acquisition camera (150000 frame per second)

Tensiometer (interfacial tension with the pendant drop methos)Differential Scanning Calorimetry (DSC60 – Shimadzu)Simulative approach with Comsol Multyphysics Collaborations

Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nurnberg, Germania (http://www.arl.aot.uni-erlangen.de/home.html)Stanford University, Dept. of Chemical Engineering (G. G. Fuller)ETH Zurich, Dept. of Materials (J. Vermant, P.Fischer)Forth and University of Athens in Greece (D. Vlassopoulos, N. Hadijchristidis)Forschungszentrum Juelich in Germany (W. Pyckhout-Hintzen) and University of North Carolina in USA (M. Rubinstein)

Informazioni sintetiche relative ad eventuale periodo all’estero previsto per il dottorando (periodo, gruppo di ricerca, Università, ente di Ricerca….)

The Phd student will spend roughly 9 months in one of the following institutes, focused on different thematic that could improve his/her knowledge on the Phd topic:

- Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nurnberg, Germania (http://www.arl.aot.uni-erlangen.de/home.html) for advanced optical studies

- Stanford University, Dept. of Chemical Engineering (Prof. G. G. Fuller) or ETH Zurich, Dept. of Materials (J. Vermant) for interfacial behavior of complex fluids

- Forth and University of Athens in Greece (Prof. Vlassopoulos and Prof. Hadijchristidis) for rheology of complex fluids

- Forschungszentrum Juelich in Germany (Dr. Pyckhout-Hintzen) and University of North Carolina in USA (Prof. Rubinstein) for scattering studies and theoretical approach.

I sottoscritti garantiscono, sotto la propria responsabilità, di poter accedere a risorse tecniche e finanziare adeguate a supportare le attività necessarie al corretto sviluppo del progetto di ricerca proposto.

Napoli, 19 Luglio 2016 Firma del richiedente: