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Honig und andere hochviskose Flüssigkeiten fließen in speziell beschichteten Kapillaren schneller als Wasser. Die überraschende Entdeckung wurde von Maja Vuckovac und Kollegen von der Aalto-Universität in Finnland gemacht, die auch zeigten, dass dieser kontraintuitive Effekt auf die Unterdrückung des inneren Flusses in viskoseren Tröpfchen zurückzuführen ist. Ihre Ergebnisse widersprechen direkt aktuellen theoretischen Modellen darüber, wie Flüssigkeiten in superhydrophoben Kapillaren fließen.
Auf dem Gebiet der Mikrofluidik geht es darum, den Fluss von Flüssigkeiten durch eng begrenzte Bereiche von Kapillaren zu steuern – normalerweise für die Herstellung von Geräten für medizinische Anwendungen. Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität eignen sich am besten für die Mikrofluidik, da sie schnell und mühelos fließen. Viskosere Flüssigkeiten können verwendet werden, indem sie bei höheren Drücken betrieben werden. Dies erhöht jedoch die mechanische Belastung in den empfindlichen Kapillarstrukturen – was zum Versagen führen kann.
Alternativ kann die Strömung durch eine superhydrophobe Beschichtung beschleunigt werden, die Mikro- und Nanostrukturen enthält, die Luftpolster einschließen. Diese Polster verringern die Kontaktfläche zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche deutlich, was wiederum die Reibung verringert – und die Strömung um 65 % erhöht. Nach aktueller Theorie nehmen diese Strömungsgeschwindigkeiten jedoch mit zunehmender Viskosität immer weiter ab.
Vuckovacs Team testete diese Theorie, indem es Tröpfchen unterschiedlicher Viskosität untersuchte, während die Schwerkraft sie aus vertikalen Kapillaren mit superhydrophoben Innenbeschichtungen zog. Während sie sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, komprimieren die Tröpfchen die Luft unter ihnen und erzeugen so einen Druckgradienten, der mit dem im Kolben vergleichbar ist.
Während Tröpfchen in offenen Rohren die erwartete umgekehrte Beziehung zwischen Viskosität und Fließgeschwindigkeit zeigten, waren die Regeln völlig umgekehrt, wenn ein oder beide Enden verschlossen waren. Der Effekt war bei Glycerintröpfchen am deutlichsten – obwohl sie drei Größenordnungen viskoser als Wasser waren, flossen sie mehr als zehnmal schneller als Wasser.
Um die Physik hinter diesem Effekt aufzudecken, führte Vuckovacs Team Markierungspartikel in die Tröpfchen ein. Die Bewegung der Partikel im Laufe der Zeit offenbarte eine schnelle innere Strömung innerhalb des weniger viskosen Tröpfchens .Dadurch entsteht ein dickeres Luftpolster, wodurch die Luft unter dem Tropfen leichter zur Seite strömen kann.
Anhand ihrer Beobachtungen entwickelte das Team ein aktualisiertes hydrodynamisches Modell, das besser vorhersagt, wie sich Tröpfchen durch Kapillaren mit unterschiedlichen superhydrophoben Beschichtungen bewegen. Mit weiteren Arbeiten könnten ihre Erkenntnisse zu neuen Wegen zur Entwicklung mikrofluidischer Geräte führen, die in der Lage sind, komplexe Chemikalien und Medikamente zu handhaben.
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