La coalescenza è un fenomeno per cui due sostanze identiche ma disperse, tendono a raccogliersi. Il fenomeno principale che entra in gioco è che il materiale ottimizza la sua superficie sotto l'azione della tensione superficiale , in modo da ottenere un minimo di energia. La coalescenza di solito si verifica nei fluidi ma può anche unire particelle solide. Si trova in diversi processi in campi diversi come la formazione di gocce di pioggia in meteorologia , plasmi in astrofisica e metalli in metallurgia .
Alla superficie di un mezzo denso (liquido o solido), o all'interfaccia tra due mezzi densi, è associata una certa energia per unità di superficie (espressa in joule per metro quadrato - J/m 2 ) la cui origine è la forza di coesione tra molecole identiche. Questa tensione superficiale è quindi proporzionale alla superficie.
Nel caso della coalescenza di bolle d'aria in un liquido (schiuma), la coalescenza è spiegata dal drenaggio del liquido tra due bolle vicine quindi dalla rottura del film interfacciale ma anche, in misura minore, dalla teoria stocastica sviluppata di Gosh e Juvekar.
Nel caso di gocce liquide, la loro massa dipende dal loro diametro cubico mentre la loro area dipende dal diametro quadrato. Quando due gocce di fluido si incontrano, la loro unione riduce al minimo l'area relativa alla massa totale. A seconda dell'energia cinetica delle gocce e del diametro della goccia risultante, quest'ultima può essere stabile o liberarsi dalla sua massa sotto forma di goccioline secondarie per stabilizzarsi.
Per un solido, come un metallo sottoposto ad irraggiamento , si creano delle cavità, che per coalescenza possono dar luogo ad una rottura dopo l'unione.
Una schiuma o un'emulsione liquida tende a destabilizzare in assenza di tensioattivo . Nel tempo, le bolle crescono a causa della maturazione e della coalescenza . La distinzione tra i due è importante:
Ad esempio, due gocce di mercurio che entrano in contatto l'una con l'altra improvvisamente si uniscono per formare una sola goccia. Lo stesso procedimento viene effettuato con un'emulsione di olio e acqua dopo aver mescolato e agitato energicamente. Le gocce d'olio poi si fondono tra loro gradualmente fino a formare un'unica grande goccia, che riflette la separazione finale tra l'olio e l'acqua.
Questo è anche il caso di una schiuma liquida , quando una pellicola di sapone si rompe e le due bolle d'aria adiacenti si uniscono per formarne una sola.
L'analisi visiva rimane il test più utilizzato oggi. Il campione viene posto in un contenitore trasparente e osservato ad occhio nudo a intervalli di tempo regolari. Il tempo di misurazione è direttamente legato all'applicazione e può variare da pochi minuti (vinaigrette) a diversi mesi o anni (crema cosmetica). Se le osservazioni visive mostrano una variazione di omogeneità (cambiamento di colore, separazione di fase, migrazione, ecc.) maggiore di un livello accettabile, allora il prodotto è considerato instabile e dovrebbe essere riformulato o soggetto a un cambiamento nel processo di produzione. .
La destabilizzazione dei sistemi colloidali è un processo cinetico, indipendentemente dal test di stabilità scelto (osservazione visiva, distribuzione granulometrica, diffusione della luce, reologia, potenziale zeta, ecc.), l'evoluzione del/i parametro/i in funzione del tempo deve essere preso in considerazione. La prova di stabilità deve quindi essere ripetuta nel tempo e ad intervalli regolari al fine di rilevare variazioni inusuali rispetto ad un prodotto giudicato stabile.
Il processo cinetico di destabilizzazione può richiedere tempo, da qui l'interesse di tecniche con maggiore sensibilità e metodi di accelerazione. L'innalzamento della temperatura è il metodo più diffuso e consente una diminuzione della viscosità, un aumento dei fenomeni di diffusione/urto, ecc. Oltre ad aumentare i tassi di destabilizzazione, lo stoccaggio ad alta temperatura consente di simulare le condizioni di vita di un manufatto ( durante lo stoccaggio e il trasporto le temperature possono raggiungere facilmente i 40°C). La temperatura non deve superare un valore critico specifico di ciascun sistema (inversione di fase, degradazione chimica o temperatura di ebollizione) rendendo quindi questo test non conforme alle condizioni reali. Possono essere utilizzate altre tecniche di accelerazione come la centrifugazione, ma devono essere prese con attenzione perché le forze esercitate sul sistema possono generare modifiche delle proprietà originali del campione (cambiamento di viscosità, modifica della rete polimerica, particelle di segregazione...) e quindi fornire risultati diversi dalla realtà.
Nella microfisica delle nuvole , le goccioline crescono a velocità diverse per condensazione e per effetto Bergeron , a seconda della concentrazione di vapore acqueo. Avranno quindi una varietà di diametri e si muoveranno a una velocità diversa in relazione al loro diametro nella corrente ascensionale . La coalescenza è la successiva fusione di due o più goccioline per collisione per formarne di più grandi.
I più grandi che si muovono più lentamente catturano infatti i più piccoli salendo poi quando non potranno più essere sostenuti dalla corrente, scenderanno di nuovo e continueranno la loro crescita allo stesso modo. I fiocchi di neve si comportano in modo simile quando cadono, ma questo processo è generalmente indicato come aggregazione .
L'elettrocoalescenza è una tecnica utilizzata nella disidratazione degli oli pesanti. L'acqua rispetto all'olio è conduttiva e in un involucro composto da due elettrodi a potenziale le gocce d'acqua si avvicineranno l'una all'altra. A causa della polarizzazione, le gocce si allungano e assumono la forma di un'ellisse che ne favorirà la coalescenza e consentirà una più efficiente raccolta dell'acqua contenuta nel greggio.