Bedankt voor uw aanmelding bij Physical World. Als u op enig moment uw gegevens wilt wijzigen, ga dan naar mijn account
Honing en andere zeer viskeuze vloeistoffen stromen sneller dan water in speciaal gecoate capillairen. Deze verrassende ontdekking werd gedaan door Maja Vuckovac en collega's van de Aalto-universiteit in Finland. Zij toonden ook aan dat dit onlogische effect voortkomt uit de onderdrukking van de interne stroming in meer viskeuze druppels. Hun resultaten spreken de huidige theoretische modellen over de manier waarop vloeistoffen door superhydrofobe capillairen stromen rechtstreeks tegen.
Microfluïdica houdt zich bezig met het beheersen van de vloeistofstroom door nauw afgesloten capillaire wanden, meestal voor de productie van medische apparatuur. Vloeistoffen met een lage viscositeit zijn het meest geschikt voor microfluïdica, omdat ze snel en moeiteloos stromen. Vloeistoffen met een hogere viscositeit kunnen worden gebruikt door ze onder hogere druk te brengen, maar dit verhoogt de mechanische spanning in de delicate capillaire structuren, wat tot storingen kan leiden.
Als alternatief kan de stroming worden versneld met behulp van een superhydrofobe coating die micro- en nanostructuren bevat die luchtkussens opvangen. Deze kussens verkleinen het contactoppervlak tussen de vloeistof en het oppervlak aanzienlijk, wat op zijn beurt de wrijving vermindert en de stroming met 65% verhoogt. Volgens de huidige theorie blijven deze stroomsnelheden echter afnemen naarmate de viscositeit toeneemt.
Het team van Vuckovac testte deze theorie door te kijken naar druppeltjes met verschillende viscositeiten die door de zwaartekracht uit verticale capillairen met superhydrofobe binnenbekledingen werden getrokken. Terwijl de druppeltjes met een constante snelheid bewegen, comprimeren ze de lucht eronder, waardoor een drukgradiënt ontstaat die vergelijkbaar is met die in de zuiger.
Terwijl druppeltjes de verwachte omgekeerde relatie tussen viscositeit en stroomsnelheid in open buizen vertoonden, waren de regels volledig omgedraaid toen een of beide uiteinden waren afgesloten. Het effect was het meest uitgesproken bij glyceroldruppeltjes: hoewel glycerol drie ordes van grootte viskeuzer was dan water, stroomde het meer dan tien keer sneller dan water.
Om de natuurkunde achter dit effect te ontrafelen, introduceerde het team van Vuckovac tracerdeeltjes in de druppels. De beweging van de deeltjes in de loop van de tijd onthulde een snelle interne stroming in de minder viskeuze druppel. Deze stroming zorgt ervoor dat de vloeistof doordringt in de micro- en nanostructuren in de coating. Dit vermindert de dikte van het luchtkussen, waardoor de onder druk staande lucht onder de druppel niet door de coating heen kan dringen om de drukgradiënt in evenwicht te brengen. Glycerine daarentegen heeft vrijwel geen waarneembare interne stroming, waardoor de penetratie in de coating wordt belemmerd. Het resultaat is een dikker luchtkussen, waardoor de lucht onder de druppel gemakkelijker naar één kant kan bewegen.
Aan de hand van hun observaties ontwikkelde het team een ​​bijgewerkt hydrodynamisch model dat beter voorspelt hoe druppels zich door haarvaten met verschillende superhydrofobe coatings bewegen. Met verder onderzoek kunnen hun bevindingen leiden tot nieuwe manieren om microfluïdische apparaten te maken die complexe chemicaliën en medicijnen kunnen verwerken.
Physics World vertegenwoordigt een belangrijk onderdeel van de missie van IOP Publishing om onderzoek en innovatie van wereldklasse te communiceren aan een zo breed mogelijk publiek. De site maakt deel uit van het Physics World-portfolio, dat een verzameling online, digitale en gedrukte informatiediensten biedt aan de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap.