Спасибо за регистрацию в Physical World. Если вы захотите изменить свои данные в любое время, посетите мой аккаунт.
Мед и другие высоковязкие жидкости текут быстрее, чем вода в капиллярах со специальным покрытием. Удивительное открытие было сделано Майей Вучковац и ее коллегами из Университета Аалто в Финляндии, которые также показали, что этот противоречащий здравому смыслу эффект возникает из-за подавления внутреннего потока внутри более вязких капель. Их результаты напрямую противоречат современным теоретическим моделям течения жидкостей в супергидрофобных капиллярах.
Область микрофлюидики включает в себя управление потоком жидкостей через тесно ограниченные области капилляров — обычно для производства устройств медицинского назначения. Жидкости с низкой вязкостью лучше всего подходят для микрофлюидики, поскольку они текут быстро и без усилий. Более вязкие жидкости можно использовать, перемещая их под более высоким давлением, но это увеличивает механическое напряжение в тонких капиллярных структурах, что может привести к поломке.
В качестве альтернативы поток можно ускорить с помощью супергидрофобного покрытия, содержащего микро- и наноструктуры, которые улавливают 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 Вучковаца проверила эту теорию, наблюдая за каплями различной вязкости, которые под действием силы тяжести вытягиваются из вертикальных капилляров с супергидрофобными внутренними покрытиями. Двигаясь с постоянной скоростью, капли сжимают воздух под собой, создавая градиент давления, сравнимый с градиентом давления в поршне.
В то время как капли демонстрировали ожидаемую обратную зависимость между вязкостью и скоростью потока в открытых трубках, когда один или оба конца были запечатаны, правила были полностью противоположными. Эффект был наиболее выражен в случае с каплями глицерина — несмотря на то, что они на 3 порядка вязче воды, они текли более чем в 10 раз быстрее воды.
Чтобы раскрыть физику этого эффекта, команда Вучковаца ввела в капли частицы-трассеры. Движение частиц с течением времени выявило быстрый внутренний поток внутри менее вязкой капли. Эти потоки заставляют жидкость проникать в микро- и наномасштабные структуры в покрытии. Это уменьшает толщину воздушной подушки, не давая сжатому воздуху под каплей продавливаться через нее, чтобы уравновесить градиент давления. Напротив, глицерин практически не имеет ощутимого внутреннего потока, что препятствует его проникновению в покрытие. Это приводит к более толстой воздушной подушке, что облегчает перемещение воздуха под каплей в одну сторону.
Используя свои наблюдения, команда разработала обновленную гидродинамическую модель, которая лучше предсказывает, как капли движутся по капиллярам с различными супергидрофобными покрытиями. При дальнейшей работе их открытия могут привести к новым способам создания микрофлюидных устройств, способных работать со сложными химикатами и лекарствами.
Physics World представляет собой ключевую часть миссии IOP Publishing по донесению результатов исследований и инноваций мирового уровня до максимально широкой аудитории. Сайт является частью портфолио Physics World, которое предоставляет набор онлайн-, цифровых и печатных информационных услуг мировому научному сообществу.