Благодарим вас за регистрацию в Physical World. Если вы хотите изменить свои данные в любое время, посетите мою учетную запись.
Мед и другие жидкости с высокой вязкостью текут быстрее, чем вода в капиллярах со специальным покрытием. Удивительное открытие было сделано Майей Вукковац и ее коллегами из Университета Аалто в Финляндии, которые также показали, что этот противоречивый эффект возникает из-за подавления внутреннего потока внутри более вязких капель. Их результаты прямо противоречат текущим теоретическим моделям того, как жидкости текут в супергидрофобных капиллярах.
Область микрофлюидики включает в себя управление потоком жидкости через плотно замкнутые области капилляров — обычно для производства устройств для медицинского применения. Жидкости с низкой вязкостью лучше всего подходят для микрофлюидики, поскольку они текут быстро и без усилий. Можно использовать более вязкие жидкости, управляя ими при более высоком давлении, но это увеличивает механическое напряжение в хрупких капиллярных структурах, что может привести к отказу.
В качестве альтернативы поток может быть ускорен с помощью супергидрофобного покрытия, содержащего микро- и наноструктуры, улавливающие воздушные подушки. Эти подушки значительно уменьшают площадь контакта между жидкостью и поверхностью, что, в свою очередь, снижает трение — увеличивая поток на 65%. Однако, согласно современной теории, эти скорости потока продолжают уменьшаться с увеличением вязкости.
Команда Вуковаца проверила эту теорию, наблюдая за каплями различной вязкости, когда гравитация выталкивала их из вертикальных капилляров с супергидрофобным внутренним покрытием. Когда они движутся с постоянной скоростью, капли сжимают воздух под собой, создавая градиент давления, сравнимый с градиентом давления в поршне.
В то время как капли показали ожидаемую обратную зависимость между вязкостью и скоростью потока в открытых трубках, когда один или оба конца были запечатаны, правила полностью изменились. Эффект был наиболее выражен с каплями глицерина — хотя они были на 3 порядка более вязкими, чем вода, они текли более чем в 10 раз быстрее, чем вода.
Чтобы раскрыть физику, стоящую за этим эффектом, команда Вуковаца ввела в капли частицы трассера. Движение частиц с течением времени выявило быстрый внутренний поток внутри менее вязкой капли. Эти потоки заставляют жидкость проникать в микро- и наноразмерные структуры в покрытии. Это уменьшает толщину воздушной подушки, предотвращая продавливание сжатого воздуха под каплей, чтобы сбалансировать градиент давления. . Это приводит к более толстой воздушной подушке, что облегчает движение воздуха под каплей в одну сторону.
Используя свои наблюдения, команда разработала обновленную гидродинамическую модель, которая лучше предсказывает, как капли движутся через капилляры с различными супергидрофобными покрытиями. Дальнейшая работа позволит найти новые способы создания микрожидкостных устройств, способных работать со сложными химическими веществами и лекарствами.
Physics World представляет собой ключевую часть миссии IOP Publishing по информированию максимально широкой аудитории об исследованиях и инновациях мирового уровня. Сайт является частью портфеля Physics World, который предоставляет набор онлайновых, цифровых и печатных информационных услуг для мирового научного сообщества.