Kiitos kirjautumisestasi Physical Worldiin. Jos haluat muuttaa tietojasi milloin tahansa, käy tililläni
Hunaja ja muut erittäin viskoosit nesteet virtaavat vettä nopeammin erikoispinnoitetuissa kapillaareissa. Yllättävän havainnon teki Maja Vuckovac ja kollegat Aalto-yliopistosta, jotka myös osoittivat, että tämä vasta-intuitiivinen vaikutus johtuu sisäisen virtauksen vaimentamisesta viskoosisempien pisaroiden sisällä. Niiden tulokset ovat suoraan ristiriidassa nykyisten teoreettisten nesteiden kapillaaristen virtausmalleilla.
Mikrofluidiikan alaan kuuluu nesteiden virtauksen säätely kapillaarien tiukasti suljettujen alueiden läpi – yleensä lääketieteellisiin sovelluksiin tarkoitettujen laitteiden valmistukseen. Pienen viskositeetin omaavat nesteet sopivat parhaiten mikrofluidiikkaan, koska ne virtaavat nopeasti ja vaivattomasti. Viskoosisempia nesteitä voidaan käyttää ajamalla niitä korkeammilla paineilla, mutta tämä lisää mekaanista rasitusta herkissä rakenteissa, mikä voi johtaa kapillaarivaurioihin.
Vaihtoehtoisesti virtausta voidaan nopeuttaa käyttämällä superhydrofobista pinnoitetta, joka sisältää mikro- ja nanorakenteita, jotka vangitsevat ilmatyynyjä. Nämä tyynyt vähentävät merkittävästi nesteen ja pinnan välistä kosketuspinta-alaa, mikä puolestaan ​​vähentää kitkaa – lisää virtausta 65%. Nykyteorian mukaan nämä virtausnopeudet kuitenkin laskevat edelleen viskositeetin kasvaessa.
Vukovacin tiimi testasi tätä teoriaa tarkastelemalla viskositeetin vaihtelevia pisaroita, kun painovoima veti ne pystysuorasta kapillaarista, joissa on superhydrofobinen sisäpinnoite. Vakionopeudella kulkiessaan pisarat puristavat alla olevaa ilmaa luoden painegradientin, joka on verrattavissa männässä olevaan painegradienttiin.
Vaikka pisarat osoittivat odotetun käänteisen suhteen viskositeetin ja virtausnopeuden välillä avoimissa putkissa, kun toinen tai molemmat päät suljettiin, säännöt olivat täysin päinvastaiset. Vaikutus oli voimakkain glyserolipisaroilla – vaikka se oli 3 suuruusluokkaa viskoosimpi kuin vesi, se virtasi yli 10 kertaa nopeammin kuin vesi.
Tämän vaikutuksen taustalla olevan fysiikan paljastamiseksi Vukovacin tiimi lisäsi pisaroihin merkkiainehiukkasia. Hiukkasten liike ajan mittaan paljasti nopean sisäisen virtauksen vähemmän viskoosissa pisarassa. Nämä virrat saavat nesteen tunkeutumaan pinnoitteen mikro- ja nanomittakaavan rakenteisiin. Tämä vähentää ilmatyynyn paksuutta, mikä estää puristuspaineen putoamisen ilman läpivirtausta. t. Sitä vastoin glyseriinissä ei ole juuri havaittavissa olevaa sisäistä virtausta, mikä estää sen tunkeutumisen pinnoitteeseen. Tämä johtaa paksumpaan ilmatyynyyn, mikä helpottaa pisaran alla olevan ilman siirtymistä sivuun.
Havaintojensa perusteella ryhmä kehitti päivitetyn hydrodynaamisen mallin, joka ennustaa paremmin, kuinka pisarat liikkuvat eri superhydrofobisilla pinnoitteilla varustettujen kapillaareiden läpi. Jatkotyön myötä heidän havainnot voivat johtaa uusiin tapoihin luoda mikrofluidilaitteita, jotka pystyvät käsittelemään monimutkaisia ​​kemikaaleja ja lääkkeitä.
Physics World on keskeinen osa IOP Publishingin missiota viestiä maailmanluokan tutkimusta ja innovaatiota mahdollisimman laajalle yleisölle. Sivusto on osa Physics World -portfoliota, joka tarjoaa kokoelman online-, digitaalisia ja painettuja tietopalveluja maailmanlaajuiselle tiedeyhteisölle.