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La miel y otros líquidos altamente viscosos fluyen más rápido que el agua en capilares especialmente recubiertos. El sorprendente hallazgo fue realizado por Maja Vuckovac y colegas de la Universidad Aalto en Finlandia, quienes también demostraron que este efecto contra-intuitivo proviene de la supresión del flujo interno dentro de gotas más viscosas. Sus resultados contradicen directamente los modelos teóricos actuales de cómo fluyen los líquidos en capilares superhidrofóbicos.
El campo de la microfluídica implica controlar el flujo de líquidos a través de regiones muy confinadas de capilares, generalmente para la fabricación de dispositivos para aplicaciones médicas. Los fluidos de baja viscosidad son mejores para la microfluídica porque fluyen rápidamente y sin esfuerzo. Se pueden usar fluidos más viscosos impulsándolos a presiones más altas, pero esto aumenta la tensión mecánica en las delicadas estructuras capilares, lo que puede provocar fallas.
Alternativamente, el flujo se puede acelerar utilizando un recubrimiento superhidrofóbico que contiene micro y nanoestructuras que atrapan cojines de aire. Estos cojines reducen significativamente el área de contacto entre el líquido y la superficie, lo que a su vez reduce la fricción, aumentando el flujo en un 65%. Sin embargo, según la teoría actual, estos caudales continúan disminuyendo a medida que aumenta la viscosidad.
El equipo de Vuckovac probó esta teoría observando gotas de distintas viscosidades a medida que la gravedad las atraía desde capilares verticales con revestimientos internos superhidrofóbicos. A medida que viajan a velocidad constante, las gotas comprimen el aire debajo de ellas, creando un gradiente de presión comparable al del pistón.
Si bien las gotas mostraron la relación inversa esperada entre la viscosidad y el caudal en tubos abiertos, cuando uno o ambos extremos estaban sellados, las reglas se invirtieron por completo. El efecto fue más pronunciado con las gotas de glicerol, que aunque eran 3 órdenes de magnitud más viscosas que el agua, fluían más de 10 veces más rápido que el agua.
Para descubrir la física detrás de este efecto, el equipo de Vuckovac introdujo partículas trazadoras en las gotas. El movimiento de las partículas a lo largo del tiempo reveló un flujo interno rápido dentro de la gota menos viscosa. Estos flujos hacen que el fluido penetre en las estructuras de micro y nanoescala en el recubrimiento. Esto reduce el espesor del colchón de aire, evitando que el aire presurizado debajo de la gota se apriete para equilibrar el gradiente de presión. Por el contrario, la glicerina casi no tiene un flujo interno perceptible, lo que inhibe su penetración en el recubrimiento. Esto da como resultado un colchón de aire más grueso, lo que facilita que el aire debajo de la gota se mueva hacia un lado.
Utilizando sus observaciones, el equipo desarrolló un modelo hidrodinámico actualizado que predice mejor cómo se mueven las gotas a través de capilares con diferentes recubrimientos superhidrofóbicos. Con más trabajo, sus hallazgos podrían conducir a nuevas formas de crear dispositivos microfluídicos capaces de manejar productos químicos y medicamentos complejos.
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