Dziękujemy za zarejestrowanie się w świecie fizycznym. Jeśli w dowolnym momencie chcesz zmienić swoje dane, odwiedź moje konto
Miód i inne bardzo lepkie ciecze płyną szybciej niż woda w specjalnie powlekanych kapilarach. Zaskakującego odkrycia dokonali Maja Vuckovac i współpracownicy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii, którzy wykazali również, że ten sprzeczny z intuicją efekt wynika z tłumienia wewnętrznego przepływu w bardziej lepkich kropelkach. Ich wyniki są bezpośrednio sprzeczne z obecnymi teoretycznymi modelami przepływu cieczy w superhydrofobowych kapilarach.
Dziedzina mikroprzepływów obejmuje kontrolowanie przepływu cieczy przez ciasno ograniczone obszary naczyń włosowatych — zwykle do produkcji urządzeń do zastosowań medycznych. Płyny o niskiej lepkości są najlepsze dla mikroprzepływów, ponieważ płyną szybko i bez wysiłku. Płyny o większej lepkości można stosować, napędzając je pod wyższym ciśnieniem, ale zwiększa to naprężenia mechaniczne w delikatnych strukturach kapilarnych — co może prowadzić do awarii.
Alternatywnie, przepływ można przyspieszyć za pomocą powłoki superhydrofobowej, która zawiera mikro- i nanostruktury, które zatrzymują poduszki powietrzne. Poduszki te znacznie zmniejszają powierzchnię kontaktu między cieczą a powierzchnią, co z kolei zmniejsza tarcie – zwiększając przepływ o 65%. Jednak zgodnie z obecną teorią, prędkości przepływu nadal maleją wraz ze wzrostem lepkości.
Zespół Vuckovaca przetestował tę teorię, obserwując krople o różnej lepkości, gdy grawitacja wyciągała je z pionowych kapilar z superhydrofobowymi powłokami wewnętrznymi. Poruszając się ze stałą prędkością, kropelki sprężają powietrze pod nimi, tworząc gradient ciśnienia porównywalny z tym w tłoku.
Podczas gdy kropelki wykazywały oczekiwaną odwrotną zależność między lepkością a szybkością przepływu w otwartych probówkach, gdy jeden lub oba końce były zamknięte, reguły były całkowicie odwrócone. Efekt był najbardziej wyraźny w przypadku kropelek glicerolu — mimo że były o 3 rzędy wielkości bardziej lepkie niż woda, płynęły ponad 10 razy szybciej niż woda.
Aby odkryć fizykę stojącą za tym efektem, zespół Vuckovac wprowadził do kropelek cząsteczki znacznika. Ruch cząstek w czasie ujawnił szybki przepływ wewnętrzny w mniej lepkiej kropli. Przepływy te powodują penetrację płynu do mikro- i nanostruktur w powłoce. Zmniejsza to grubość poduszki powietrznej, zapobiegając przeciskaniu się sprężonego powietrza pod kroplą w celu zrównoważenia gradientu ciśnienia. powłoki. Powoduje to grubszą poduszkę powietrzną, która ułatwia przepływ powietrza pod kroplą na jedną stronę.
Wykorzystując swoje obserwacje, zespół opracował zaktualizowany model hydrodynamiczny, który lepiej przewiduje, w jaki sposób kropelki przemieszczają się przez kapilary z różnymi powłokami superhydrofobowymi. Dalsze prace mogą prowadzić do nowych sposobów tworzenia urządzeń mikroprzepływowych zdolnych do obsługi złożonych chemikaliów i leków.
Physics World stanowi kluczową część misji IOP Publishing polegającej na przekazywaniu światowej klasy badań i innowacji jak najszerszemu gronu odbiorców. Witryna jest częścią portfolio Physics World, które zapewnia zbiór internetowych, cyfrowych i drukowanych usług informacyjnych dla globalnej społeczności naukowej.