Bedankt voor uw aanmelding bij Physical World. Als u uw gegevens op enig moment wilt wijzigen, gaat u naar mijn account
Honing en andere zeer stroperige vloeistoffen stromen sneller dan water in speciaal gecoate capillairen. De verrassende bevinding werd gedaan door Maja Vuckovac en collega's van de Aalto Universiteit in Finland, die ook aantoonden dat dit contra-intuïtieve effect voortkomt uit de onderdrukking van interne stroming in stroperiger druppeltjes. Hun resultaten zijn rechtstreeks in tegenspraak met de huidige theoretische modellen van hoe vloeistoffen stromen in superhydrofobe capillairen.
Het gebied van microfluïdica omvat het beheersen van de stroom van vloeistoffen door nauw afgesloten gebieden van haarvaten - meestal voor de fabricage van apparaten voor medische toepassingen. Vloeistoffen met een lage viscositeit zijn het beste voor microfluïdica omdat ze snel en moeiteloos stromen. Viskeuzere vloeistoffen kunnen worden gebruikt door ze bij hogere drukken te drijven, maar dit verhoogt de mechanische spanning in de delicate capillaire structuren - wat kan leiden tot defecten.
Als alternatief kan de stroming worden versneld met behulp van een superhydrofobe coating die micro- en nanostructuren bevat die luchtkussens vasthouden. Deze kussens verkleinen het contactoppervlak tussen de vloeistof en het oppervlak aanzienlijk, wat op zijn beurt de wrijving vermindert - waardoor de stroming met 65% toeneemt. Volgens de huidige theorie blijven deze stroomsnelheden echter afnemen met toenemende viscositeit.
Het team van Vuckovac testte deze theorie door te kijken naar druppeltjes met verschillende viscositeit terwijl de zwaartekracht ze uit verticale capillairen met superhydrofobe binnencoatings trok. Terwijl ze met een constante snelheid reizen, drukken de druppeltjes de lucht eronder samen, waardoor een drukgradiënt ontstaat die vergelijkbaar is met die in de zuiger.
Terwijl druppeltjes de verwachte omgekeerde relatie vertoonden tussen viscositeit en stroomsnelheid in open buizen, waren de regels volledig omgekeerd wanneer een of beide uiteinden waren afgedicht. Het effect was het meest uitgesproken met glyceroldruppels - hoewel 3 ordes van grootte stroperiger dan water, vloeide het meer dan 10 keer sneller dan water.
Om de fysica achter dit effect bloot te leggen, introduceerde het team van Vuckovac tracerdeeltjes in de druppeltjes. De beweging van de deeltjes in de loop van de tijd onthulde een snelle interne stroming binnen de minder stroperige druppel. Deze stromingen zorgen ervoor dat de vloeistof doordringt in de structuren op micro- en nanoschaal in de coating. Dit vermindert de dikte van het luchtkussen, waardoor wordt voorkomen dat de onder druk staande lucht onder de druppel er doorheen knijpt om de drukgradiënt in evenwicht te houden. Glycerine heeft daarentegen bijna geen waarneembare interne stroming, waardoor het niet in de coating kan doordringen. Dit resulteert in een dikker luchtkussen, waardoor de lucht onder de druppel gemakkelijker naar één kant kan bewegen.
Met behulp van hun observaties ontwikkelde het team een ​​bijgewerkt hydrodynamisch model dat beter voorspelt hoe druppeltjes door capillairen met verschillende superhydrofobe coatings bewegen. Met verder onderzoek zouden hun bevindingen kunnen leiden tot nieuwe manieren om microfluïdische apparaten te maken die in staat zijn om complexe chemicaliën en medicijnen te verwerken.
Physics World vertegenwoordigt een belangrijk onderdeel van de missie van IOP Publishing om onderzoek en innovatie van wereldklasse aan een zo breed mogelijk publiek te communiceren.