Position that involved teaching an undergraduate course to students from ENS along with research on an experimental study of wave turbulence.

Waves are ubiquitous in nature. They are all around us in our daily lives, we find them in several contexts, in particular in fluids. They usually involve a complex variety of interaction processes, and di↵erent mechanisms. Of our particular inter- est is the case of waves at the interface between two fluids when they are perturbed. When strongly forced, the nonlinear interactions can produce a turbulent-like regime called wave turbulence. Theoretical, numerical and experimental studies have made a great deal of progress on this subject, and yet, there are several aspects that have not been properly addressed, namely the role of viscosity on the energy flux as it cascades through di↵erent scales or the physical origin of the intermittency phenomenon.
In this proposal, we will consider the problem of capillary wave turbulence from an experimental and numerical point of view. One of the main complications to study surface wave turbulence is that, in the same system, there is involvement of di↵erent types of waves, such as the case of gravito-capillary wave turbulence. Thus, it becomes of foremost importance to study wave turbulence on the presence of only one type of waves. Thereby, in order to study pure capillary wave turbulence, gravity waves must be negligible. We propose to study a system of capillary surface waves at the interface of two immiscible and incompressible fluids, water and silicon oil, of almost equal densities and layer depths, thus preventing the action of gravity. By changing the kinematic viscosity ⌫, and density ⇢ of both fluids, it is possible to control the relation between injected and dissipated power, thus exploring several regimes in a simple and controlled way.
We pose to implement the technique called Free-surface synthetic Schlieren that allows a reconstruction of the instantaneous surface topography. Velocity fields will be explored by using the standard Particle Image Velocimetry. We will make use of an already existing experimental setup which will be modified in order to accomplish these techniques adequately. With these measurements we will be able to compute the spectrum in frequency f and wavevector k, hence accessing to statistical and dynamical properties of capillary wave turbulence, such as intermittency, or the function of the injected power on the system. We also propose to use the open source solver GERRIS and make a systematic study on the role of viscosity on the cascading of the energy flux.

In this project, we plan to study the hydrodynamic wave-vortex interaction problem from an experimental point of view using different setups. The aim is to gain further understanding about the influence of vorticity on the propagation of waves and, to a lesser extend, to study how the vorticity field is modified by the presence of waves. Specifically, we plan to study the influence of a vortex field on a sloshing wave, to track the wave scattering, damping and dissipation. Then, we will study the influence of vorticity on wave-turbulence, in order to see how the wave statistics (wave spectrum, height distributions) and properties (dispersion relation, dissipation mechanisms) are affected by vorticity. Finally we will study how an array of vortices induced by a Kelvin-Helmholtz instability can generate surface waves and the back-reaction of the waves on the vortices. The proposed research is based on the collaboration efforts from the long- standing scientific relation between french and chilean experimental nonlinear laboratories: the Matter-out-of- equilibrium laboratory (LMFE) of the Physics Department from the Universidad de Chile and the Nonlinear Physics group from the Laboratoire de Physique Statistique de l”Ecole Normale Supérieure de Paris, France. The expected outcomes of this proposal are: i) to consolidate and expand our french collaboration network including new research labotarories (Laboratoire de Matière et Systèmes Complèxes, Paris, France and Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels, Université de Grenoble-Alpes, Grenoble, France), ii) to co-sign two (2) research publications in Q1 journals, iii) to train postdocs and graduate students in experimental acoustical and optical techniques to measure temporal or spatiotemporal surface wave deformations.

Los laboratorios de fabricación digital son espacios que cuentan con maquinaria y personal capacitado para facilitar el diseño y desarrollo de prototipos y para promover la innovación en productos, procesos y servicios. Se conciben como laboratorios que facilitan herramientas de fabricación avanzada y capacidades a la comunidad en general, pudiendo ser más enfocados a emprendedores, empresas e institutos de investigación. Una característica común es que sirven como plataforma para estimular el aprendizaje y la invención en la comunidad. Las máquinas y capacidades técnicas instaladas en estos laboratorios brindan la oportunidad de encontrar soluciones innovadoras a problemas comunes y ser incubadores de microemprendimientos que resuelvan problemas de forma innovadora y sustentable.

El primer laboratorio de fabricación digital, junto con el concepto FabLab, aparece en el MIT (Massachussets Institute of Technology, Estados Unidos) en el año 2000. Actualmente, existe una red mundial de alrededor de 3000 FabLabs distribuidos en 5 continentes. En Chile se pueden encontrar 17 de estos laboratorios, la mayoría de ellos concentrados en la Región Metropolitana; 2 en la Región del Maule y ninguno en la Región de O’Higgins. La ausencia de un laboratorio regional está en concordancia con estadísticas del año 2016 que reportan apenas 118 m2 de espacios dedicados a innovación en la Región de O’Higgins frente a 27 936 m2 en la Región Metropolitana. En ese contexto, la Región de O’Higgins es la segunda región con menor superficie dedicada a innovación.

La instalación de un laboratorio de fabricación digital en la Región de O’Higgins se identifica como una gran oportunidad para promover la innovación, brindando acceso a equipos y a capacitaciones sobre herramientas de fabricación avanzada a industrias y emprendedores regionales.

Las ondas y las estructuras coherentes están presentes como entidades individuales en varios contextos físicos, astronómicos y geofísicos, y particularmente en los fluidos. Las situaciones realistas generalmente involucran a ambos, lo que lleva a procesos de interacción complejos que son difíciles de separar y desenredar. En esta propuesta nos enfocamos en estudiar experimentalmente cómo la presencia de estructuras coherentes, tales como vórtices o singularidades, afectan las propiedades de las ondas superficiales en un régimen turbulento. Para ello, construiremos dos montajes experimentales para poder estudiar de forma sistemática las propiedades estadísticas de las ondas cuando interactúan con las estructuras mencionadas. Ambos sistemas tienen la ventaja de que, ajustando los parámetros de forzamiento, podemos controlar la aparición e intensidad de las estructuras. Por lo tanto, un estudio sistemático de su influencia en turbulencia de ondas (WT) es sencillo.
La naturaleza intermitente del campo de ondas, así como los mecanismos detrás de la ruptura del espectro de WT en presencia de estas estructuras son algunas de las preguntas que pretendemos responder. Para abordar estas preguntas, proponemos realizar mediciones espaciotemporales, como la fotografía de luz difusa (DLP) y la velocimetría de imagen de partículas (PIV). Los resultados que surjan de esta investigación podrían ser de gran importancia para una teoría que, si bien es válida en muchos sistemas, aún está incompleta. Las aplicaciones de los resultados a otros sistemas, como los flujos geofísicos, también podrían ser posibles y bastante relevantes para una amplia comunidad.

Far from simple steric repulsion, i.e., volumetric repulsion, the dynamics of granular systems are driven by a menagerie of interactions: dissipative collisions, van der Waals forces, electrostatic Coulomb and polarization forces, viscous drag and, in the presence of even minute amounts of liquid, capillary bridges or ice coatings. Despite its importance and the development of many powerful experimental, numerical and theoretical tools, until now, a unified description of granular media is lacking, even for the simplest model situation of perfectly spherical, impenetrable and dissipative particles.
One of the most important topics in granular media research is clustering, for both fundamental and applied reasons. Clustering produces large gradients, which makes usual gradient perturbations schemes more difficult, which even poses questions about the validity of continuum approaches for these systems. Clustering and coarsening are also relevant for many industrial applications, including grain and powder storage, transport and manipulation, in the food, mining and chemical industries, to mention a few.
Electrostatically–induced granular clustering has emerged as a mechanism with fundamental and practical implications. The electrification of such systems occurs through tribocharging—the exchange of charge between contacting surfaces. Despite its importance, how insulators transfer such large amounts of charge during contact is not well-understood. How this can also occur for identical materials during contact is puzzling as well. Furthermore, the nature of the charge carrier is also not settled. Concerning applications, just recently electrostatically–induced granular clustering has been revealed as a possible enhancing mechanism for granular coarsening in a very important and unsolved issue: the formation of planetesimals, which can be considered as baby planets (from 1 km size it is expected that gravity should be the driving accretion force). Indeed, despite clear evidence, our current theoretical understanding is that rocky planets should not exist; a basic ingredient seems to be missing for explaining the clustering of grains in the sub- mm to cm range. We propose that electrification through tribocharging is the missing ingredient.
Thus, the main objective of this proposal is to address how different pair-wise interactions and, in general, particle and collisional properties, lead to sustained cluster growth. We are developing two experimental systems to make concrete steps toward this goal. In the first, we are using a free-fall apparatus to observe collisions between sub-mm particles in vacuum and zero-gravity conditions. In the second, we are forging into the new territory of interactions between millimeter-scale particles or clusters with a controlled acoustic levitation setup. In order to understand the microphysics of grain growth in the sub-mm to cm range, our immediate objective is to characterize the sticking efficiencies and dominant forces—including the possibility of same-material tribocharging—in a variety of conditions. In the first experimental setup, we will focus on few-particle interactions and clustering. In the second, we will study controlled collisions between a few up to many-particle clusters. Working on these two experiments in tandem will enable us to characterize collisions over decades of data in cluster size and impact energy, and quantify same-material tribocharging. For both experiments we will use standard dielectric materials (as ZrO2:SiO2 composites) as a benchmark. Then, we will use analog meteorite materials (e.g. San Carlos Olivine) in both setups, and original meteorite grains (Allende meteorite) with the ultrasonic setup, where controlled collisions can be done for smaller amounts of material. The outcome of such experiments will be a phase portrait of collisional aggregation efficiency covering features ranging from particle and cluster size to particle interactions, particle composition and impact energy. One particular contribution we will focus on is the effect of tribocharging on the formation efficiency of larger clusters, which should be relevant toward our current understanding of asteroid and planetesimal formation.

Los microplásticos son partículas de plástico con un tamaño entre 0.1 μm y 5 mm, los cuales han recibido una amplia atención debido a sus posibles efectos sobre los organismos vivos, la contaminación de los ecosistemas, la baja tasa de reciclaje, su fácil transporte y su interacción con contaminantes orgánicos e inorgánicos. Los microplásticos son considerados contaminantes emergentes, pues, sus efectos sobre los organismos aún no han sido totalmente descritos. Sin embargo, se ha demostrado que los diversos aditivos que poseen los plásticos (por ejemplo, bisfenoles, ftalatos, irganox) afectan negativamente a diversos organismos, con potenciales efectos adversos para la salud humana. Por otra parte, a medida que los microplásticos sufren el proceso de envejecimiento o degradación por efecto de las condiciones ambientales, estos poseen una mayor área superficial y reactividad, lo que promueve su interacción con otros contaminantes inorgánicos (por ejemplo, metales pesados) y orgánicos (por ejemplo, hidrocarburos policíclicos aromáticos). Por lo tanto, los microplásticos poseen diversos riesgos para los organismos que no se conocen a profundidad, lo que requiere un mayor esfuerzo investigativo a nivel mundial.

Si bien la problemática de la contaminación por microplásticos es de conocimiento público, su estudio se ha enfocado en los ecosistemas marinos, específicamente en el agua, arena de playa en la línea costera y diversos organismos, con poco esfuerzo de muestreo en otras matrices ambientales como los suelos, aguas continentales y la atmósfera. Esta última es de gran importancia ya que, debido al bajo tamaño y densidad del microplástico, este puede ser resuspendido en la columna de aire, siendo fácilmente transportado desde el suelo a la atmósfera y siendo expuestos a los organismos vivos. Es por esto que el material particulado proveniente de eventos de deposición húmeda y seca es considerado como un gran aporte de microplásticos en sistemas terrestres y acuáticos, lo que es de gran relevancia cuando se considera la interacción del microplástico con elementos potencialmente tóxicos como metales u otras moléculas orgánicas. Por lo tanto, la literatura reciente en el área de los microplásticos muestra un incremento en las investigaciones del microplástico atmosférico, pues, es este el que finalmente es inhalado directamente por los seres vivos.

En Chile, a pesar de ser el país en América Latina que más genera plásticos de un solo uso, y que además posee comunas ubicadas entre las 10 ciudades más contaminadas de dicha región, los estudios sobre microplásticos son escasos. Cabe destacar que esta categorización está asociada a la calidad del aire, por lo que la presencia del material particulado es un problema significativo. En este contexto, no existen estudios publicados a nivel nacional que evalúen el microplástico atmosférico, por lo que tampoco existe evidencia sobre la interacción entre dicho plástico y otros contaminantes. Esto aplica para la Región de O’Higgins, la cual, al ser una región minera y agrícola, es esperable que presente microplásticos en el material particulado, con la posible interacción con elementos potencialmente tóxicos, especialmente en los asentamientos con mayor densidad poblacional y desarrollo. Por lo tanto, la presente propuesta busca evaluar la ocurrencia y características de microplásticos presentes en el material particulado en una zona urbana y periurbana de la Región de O’Higgins, considerando su interacción con elementos potencialmente tóxicos, la estacionalidad y los eventos de deposición húmeda y seca. Para esto se integrarán disciplinas cómo el estudio de la meteorología, la química analítica y la contaminación ambiental. Se colectará y analizará el material particulado de forma mensual cada dos meses durante un año, esto para detectar, cuantificar e identificar los microplásticos presentes debido a eventos de deposición húmeda y seca. Se instalarán colectores pasivos de material particulado en las inmediaciones de la Universidad de O’Higgins (Campus Rancagua, Campus Colchagua, Estación Experimental Choapinos, Chapetón). Las partículas de microplásticos serán analizadas mediante espectroscopia FT-IR/ATR y/o con detector FPA. Posterior a la identificación de los tipos de polímeros, las partículas se analizarán con el microscopio de barrido para evaluar la presencia de metales en la superficie del microplástico. Además, se realizará una extracción con solventes para el análisis de hidrocarburos policíclicos aromáticos y bisfenoles policlorados presentes en el microplástico mediante un GC-MS. Finalmente, se realizarán diversos modelos para detectar los mejores predictores meteorológicos y poblacionales para predecir la deposición del microplástico en el material particulado por efecto de la deposición húmeda y seca. Se espera someter un artículo científico con los resultados de este proyecto para el último año de ejecución, y además se busca que este proyecto fortalezca el estudio de los microplásticos en la Universidad de O’Higgins, siendo soporte significativo para futuras postulaciones en equipamiento especializado e investigaciones de gran novedad internacional. Por último, este proyecto sentará las bases para una futura investigación que evalúe de forma directa e indirecta los efectos del microplástico en la salud humana de las comunidades de la Región de O’Higgins.

The Chilean Coastal Orographic Precipitation Experiment (CCOPE) was conducted during the austral winter of 2015 (May–August) in the Nahuelbuta Mountains (peak elevation 1.3 km MSL) of southern Chile
(38ºS). CCOPE used soundings, two profiling Micro Rain Radars, a Parsivel disdrometer, and a rain gauge network to characterize warm and ice-initiated rain regimes and explore their consequences for orographic precipitation