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Il miele e altri liquidi altamente viscosi scorrono più velocemente dell'acqua nei capillari con un rivestimento speciale. La sorprendente scoperta 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 sul modo in cui i liquidi scorrono nei capillari superidrofobici.
Il campo della microfluidica riguarda 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 azionandoli a pressioni più elevate, ma ciò aumenta lo stress meccanico nelle delicate strutture capillari, il che può portare a guasti.
In alternativa, il flusso può essere accelerato utilizzando un rivestimento superidrofobico che contiene micro e nanostrutture che intrappolano cuscini d'aria. Questi cuscini riducono significativamente l'area di contatto tra il liquido e la superficie, il che a sua volta riduce l'attrito, aumentando il flusso del 65%. Tuttavia, secondo la teoria attuale, queste portate continuano a diminuire con l'aumento della viscosità.
Il team di Vuckovac ha testato questa teoria osservando goccioline di diversa viscosità mentre la forza di gravità le attirava fuori da capillari verticali dotati di rivestimenti interni superidrofobici. Mentre viaggiano a velocità costante, le goccioline comprimono l'aria sottostante, creando un gradiente di pressione paragonabile a quello presente nel pistone.
Mentre le goccioline mostravano la prevista relazione inversa tra viscosità e portata nei tubi aperti, quando una o entrambe le estremità venivano sigillate, le regole si invertivano completamente. L'effetto era più pronunciato con le goccioline di glicerolo: sebbene fossero 3 ordini di grandezza più viscose dell'acqua, scorrevano 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 scala micro e nanometrica del rivestimento. Ciò riduce lo spessore del cuscino d'aria, impedendo all'aria pressurizzata sotto la gocciolina di penetrare per bilanciare il gradiente di pressione. Al contrario, la glicerina non ha quasi nessun flusso interno percettibile, il che ne impedisce la penetrazione nel rivestimento. Ciò si traduce in un cuscino d'aria più spesso, rendendo più facile per l'aria sotto la goccia spostarsi da un lato.
Utilizzando le loro osservazioni, il team ha sviluppato un modello idrodinamico aggiornato che prevede meglio il modo in cui le goccioline si muovono attraverso i capillari con diversi rivestimenti superidrofobici. Con ulteriori studi, 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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