Takk for at du registrerte deg for Physical World Hvis du vil endre opplysningene dine når som helst, vennligst besøk kontoen min
Honning og andre svært viskøse væsker flyter raskere enn vann i spesialbelagte kapillærer. Det overraskende funnet ble gjort av Maja Vuckovac og kolleger ved Aalto-universitetet i Finland, som også viste at denne motintuitive effekten stammer fra undertrykkelsen av indre strømning i mer viskøse dråper. Resultatene deres motsier gjeldende teoretiske strømningsmodeller i superhydrofobe kapillærer.
Feltet mikrofluidikk involverer å kontrollere flyten av væsker gjennom tett avgrensede områder av kapillærer—vanligvis for produksjon av enheter for medisinske applikasjoner. Lavviskositetsvæsker er best for mikrofluidikk fordi de flyter raskt og uanstrengt. Flere viskøse væsker kan brukes ved å drive dem ved høyere trykk, men dette øker den ømfintlige kapillærstrukturen.
Alternativt kan strømmen akselereres ved hjelp av et superhydrofobt belegg som inneholder mikro- og nanostrukturer som fanger luftputer. Disse putene reduserer kontaktarealet mellom væsken og overflaten betydelig, noe som igjen reduserer friksjonen – øker strømmen med 65%. I følge gjeldende teori fortsetter imidlertid disse strømningshastighetene å avta med økende viskositet.
Vuckovacs team testet denne teorien ved å se på dråper med varierende viskositet ettersom tyngdekraften trakk dem fra vertikale kapillærer med superhydrofobe indre belegg. Når de beveger seg med konstant hastighet, komprimerer dråpene luften under dem, og skaper en trykkgradient som kan sammenlignes med den i stempelet.
Mens dråper viste det forventede omvendte forholdet mellom viskositet og strømningshastighet i åpne rør, når en eller begge ender var forseglet, ble reglene helt omvendt. Effekten var mest uttalt med glyseroldråper – selv om 3 størrelsesordener mer viskøs enn vann, strømmet den mer enn 10 ganger raskere enn vann.
For å avdekke fysikken bak denne effekten, introduserte teamet til Vuckovac sporpartikler i dråpene. Bevegelsen av partiklene over tid avslørte en rask indre strømning i den mindre tyktflytende dråpen. Disse strømmene får væsken til å trenge inn i strukturene i mikro- og nanoskalaen i belegget. Dette reduserer tykkelsen på luftputen under luftputen, og hindrer luftputen i å balansere luften. I motsetning til dette har glyserin nesten ingen merkbar indre strømning, og hindrer dens inntrengning i belegget. Dette resulterer i en tykkere luftpute, noe som gjør det lettere for luften under dråpen å bevege seg til den ene siden.
Ved å bruke sine observasjoner utviklet teamet en oppdatert hydrodynamisk modell som bedre forutsier hvordan dråper beveger seg gjennom kapillærer med forskjellige superhydrofobe belegg. Med videre arbeid kan funnene deres føre til nye måter å lage mikrofluidiske enheter som er i stand til å håndtere komplekse kjemikalier og medikamenter.
Physics World representerer en sentral del av IOP Publishings oppdrag om å formidle forskning og innovasjon i verdensklasse til et bredest mulig publikum. Nettstedet er en del av Physics World-porteføljen, som tilbyr en samling av elektroniske, digitale og trykte informasjonstjenester til det globale vitenskapelige samfunnet.