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Il miele e altri liquidi altamente viscosi scorrono più velocemente dell'acqua in capillari rivestiti in modo speciale. La scoperta sorprendente è stata fatta da Maja Vuckovac e colleghi dell'Università di Aalto in Finlandia, che hanno anche dimostrato che questo effetto controintuitivo deriva dalla soppressione del flusso interno all'interno di goccioline più viscose. I loro risultati contraddicono direttamente gli attuali modelli teorici di come i liquidi scorrono nei capillari superidrofobici.
Il campo della microfluidica comporta il controllo del flusso di liquidi attraverso regioni strettamente confinate di capillari, solitamente per la produzione di dispositivi per applicazioni mediche. I fluidi a bassa viscosità sono i migliori per la microfluidica perché scorrono rapidamente e senza sforzo. È possibile utilizzare fluidi più viscosi guidandoli a pressioni più elevate, ma ciò aumenta lo stress meccanico nelle delicate strutture capillari, che può portare a guasti.
In alternativa, il flusso può essere accelerato utilizzando un rivestimento superidrofobico che contiene micro e nanostrutture che intrappolano i cuscini d'aria. Questi cuscini riducono significativamente l'area di contatto tra il liquido e la superficie, che a sua volta riduce l'attrito, aumentando il flusso del 65%. Tuttavia, secondo la teoria attuale, queste portate continuano a diminuire con l'aumentare della viscosità.
Il team di Vuckovac ha testato questa teoria osservando goccioline di diversa viscosità mentre la gravità le estraeva dai capillari verticali con rivestimenti interni superidrofobici. Mentre viaggiano a velocità costante, le goccioline comprimono l'aria sotto di loro, creando un gradiente di pressione paragonabile a quello nel pistone.
Mentre le goccioline mostravano la relazione inversa attesa tra viscosità e portata nei tubi aperti, quando una o entrambe le estremità erano sigillate, le regole erano completamente invertite. L'effetto era più pronunciato con le goccioline di glicerolo, anche se 3 ordini di grandezza più viscose dell'acqua, scorreva più di 10 volte più velocemente dell'acqua.
Per scoprire la fisica alla base di questo effetto, il team di Vuckovac ha introdotto particelle traccianti nelle goccioline. Il movimento delle particelle nel tempo ha rivelato un rapido flusso interno all'interno della gocciolina meno viscosa. Questi flussi fanno sì che il fluido penetri nelle strutture su micro e nanoscala nel rivestimento. Ciò riduce lo spessore del cuscino d'aria, impedendo all'aria pressurizzata sotto la gocciolina di passare per bilanciare il gradiente di pressione. .Ciò si traduce in un cuscino d'aria più spesso, facilitando lo spostamento laterale dell'aria sotto la goccia.
Usando le loro osservazioni, il team ha sviluppato un modello idrodinamico aggiornato che prevede meglio come le goccioline si muovono attraverso i capillari con diversi rivestimenti superidrofobici. Con ulteriore lavoro, le loro scoperte potrebbero portare a nuovi modi per creare dispositivi microfluidici in grado di gestire sostanze chimiche e farmaci complessi.
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