Kiitos, että rekisteröidyit Physical Worldiin. Jos haluat muuttaa tietojasi milloin tahansa, käy tililläni.
Hunaja ja muut erittäin viskoosit nesteet virtaavat nopeammin kuin vesi erityisesti päällystetyissä kapillaareissa. Yllättävän havainnon tekivät Maja Vuckovac ja hänen kollegansa Aalto-yliopistossa, ja he osoittivat myös, että tämä epäloogista vaikutusta selittää sisäisen virtauksen estyminen viskooseissa pisaroissa. Heidän tuloksensa ovat suoraan ristiriidassa nykyisten teoreettisten mallien kanssa siitä, miten nesteet virtaavat superhydrofobisissa kapillaareissa.
Mikrofluidistiikkaan kuuluu nesteiden virtauksen ohjaaminen kapillaarien tiiviisti rajattujen alueiden läpi – yleensä lääketieteellisten sovellusten laitteiden valmistuksessa. Matalan viskositeetin nesteet sopivat parhaiten mikrofluidiikkaan, koska ne virtaavat nopeasti ja vaivattomasti. Viskoosisempia nesteitä voidaan käyttää käyttämällä niitä korkeammissa paineissa, mutta tämä lisää mekaanista rasitusta herkissä kapillaarirakenteissa – mikä voi johtaa niiden vikaantumiseen.
Vaihtoehtoisesti virtausta voidaan kiihdyttää käyttämällä superhydrofobista pinnoitetta, joka sisältää ilmatyynyjä vangitsevia mikro- ja nanorakenteita. Nämä tyynyt pienentävät merkittävästi nesteen ja pinnan välistä kosketuspinta-alaa, mikä puolestaan ​​vähentää kitkaa – mikä lisää virtausta 65 %. Nykyisen teorian mukaan nämä virtausnopeudet kuitenkin pienenevät edelleen viskositeetin kasvaessa.
Vuckovacin tiimi testasi tätä teoriaa tarkastelemalla eri viskositeetin omaavia pisaroita, kun painovoima veti niitä ulos pystysuorista kapillaareista, joissa oli superhydrofobiset sisäpinnoitteet. Kun ne liikkuvat tasaisella nopeudella, pisarat puristavat alapuolellaan olevaa ilmaa, mikä luo painegradientin, joka on verrattavissa männässä vallitsevaan painegradienttiin.
Vaikka pisaroiden viskositeetin ja virtausnopeuden välillä havaittiin odotettu käänteinen suhde avoimissa putkissa, kun toinen tai molemmat päät oli suljettu, säännöt olivat täysin päinvastaiset. Vaikutus oli selkein glyserolipisaroilla – vaikka ne olivat kolme kertaluokkaa viskooseja kuin vesi, ne virtasivat yli 10 kertaa nopeammin kuin vesi.
Selvittääkseen tämän ilmiön taustalla olevan fysiikan Vuckovacin tiimi lisäsi pisaroihin merkkiainehiukkasia. Hiukkasten liike ajan myötä paljasti nopean sisäisen virtauksen vähemmän viskoosissa pisarassa. Nämä virtaukset saavat nesteen tunkeutumaan pinnoitteen mikro- ja nanomittakaavan rakenteisiin. Tämä vähentää ilmatyynyn paksuutta estäen pisaran alla olevaa paineistettua ilmaa puristumasta läpi tasapainottamaan painegradienttia. Sitä vastoin glyseriinillä ei ole juurikaan havaittavaa sisäistä virtausta, mikä estää sen tunkeutumisen pinnoitteeseen. Tämä johtaa paksumpaan ilmatyynyyn, mikä helpottaa pisaran alla olevan ilman siirtymistä toiselle puolelle.
Havaintojensa avulla tiimi kehitti päivitetyn hydrodynaamisen mallin, joka ennustaa paremmin, miten pisarat liikkuvat kapillaarien läpi erilaisilla superhydrofobisilla pinnoitteilla. Jatkotyön avulla heidän löydöksensä voisivat johtaa uusiin tapoihin luoda mikrofluidilaitteita, jotka kykenevät käsittelemään monimutkaisia ​​kemikaaleja ja lääkkeitä.
Physics World on keskeinen osa IOP Publishingin missiota viestiä maailmanluokan tutkimuksesta ja innovaatioista mahdollisimman laajalle yleisölle. Sivusto on osa Physics Worldin portfoliota, joka tarjoaa kokoelman verkko-, digitaalisia ja painettuja tietopalveluita maailmanlaajuiselle tiedeyhteisölle.