Ďakujeme, že ste sa prihlásili do Fyzického sveta Ak by ste chceli kedykoľvek zmeniť svoje údaje, navštívte môj účet
Med a iné vysoko viskózne kvapaliny prúdia rýchlejšie ako voda v špeciálne potiahnutých kapilárach. Prekvapivé zistenie urobili Maja Vuckovac a kolegovia z Aalto University vo Fínsku, ktorí tiež ukázali, že tento kontraintuitívny efekt pramení z potlačenia vnútorného toku vo viskóznejších kvapôčkach. Ich výsledky sú v priamom rozpore so súčasnými teoretickými modelmi prúdenia tekutín v superhydrofóbnych kapilárach.
Oblasť mikrofluidiky zahŕňa riadenie prietoku kvapalín cez tesne uzavreté oblasti kapilár – zvyčajne na výrobu zariadení pre medicínske aplikácie. Kvapaliny s nízkou viskozitou sú najlepšie pre mikrofluidiky, pretože prúdia rýchlo a bez námahy. Viac viskóznych kvapalín je možné použiť ich poháňaním pri vyšších tlakoch, čo však zvyšuje mechanické namáhanie v jemných kapilárnych štruktúrach. — čo môže viesť k zlyhaniu kapilárnych štruktúr.
Alternatívne je možné zrýchliť tok pomocou superhydrofóbneho povlaku, ktorý obsahuje mikro- a nanoštruktúry, ktoré zachytávajú vzduchové vankúšiky. Tieto vankúšiky výrazne zmenšujú kontaktnú plochu medzi kvapalinou a povrchom, čo následne znižuje trenie – zvyšuje tok o 65 %. Podľa súčasnej teórie však tieto prietoky stále klesajú so zvyšujúcou sa viskozitou.
Vučkovcov tím testoval túto teóriu pri pohľade na kvapôčky s rôznou viskozitou, keď ich gravitácia ťahala z vertikálnych kapilár so superhydrofóbnymi vnútornými povlakmi. Keď sa pohybujú konštantnou rýchlosťou, kvapôčky stláčajú vzduch pod nimi, čím vytvárajú tlakový gradient porovnateľný s tlakovým gradientom v pieste.
Zatiaľ čo kvapôčky vykazovali očakávaný inverzný vzťah medzi viskozitou a prietokovou rýchlosťou v otvorených skúmavkách, keď bol jeden alebo oba konce utesnené, pravidlá boli úplne opačné. Účinok bol najvýraznejší pri kvapôčkach glycerolu – aj keď sú o 3 rády viskóznejšie ako voda, tiekli viac ako 10-krát rýchlejšie ako voda.
Na odhalenie fyziky za týmto efektom zaviedol Vuckovac tím do kvapôčok stopovacie častice. Pohyb častíc v priebehu času odhalil rýchly vnútorný tok v rámci menej viskóznej kvapôčky. Tieto toky spôsobujú, že tekutina preniká do mikro- a nano-štruktúr v povlaku. Tým sa zmenšuje hrúbka vzduchového vankúša, čím sa bráni tomu, aby stlačený vzduch pod vnútorným tlakovým gradientom prenikal do takmer žiadneho stlačenia kvapôčky glycerolu. Výsledkom je hrubší vzduchový vankúš, ktorý uľahčuje pohyb vzduchu pod kvapkou na jednu stranu.
Na základe svojich pozorovaní tím vyvinul aktualizovaný hydrodynamický model, ktorý lepšie predpovedá, ako sa kvapky pohybujú cez kapiláry s rôznymi superhydrofóbnymi povlakmi. S ďalšou prácou by ich zistenia mohli viesť k novým spôsobom vytvárania mikrofluidných zariadení schopných manipulovať so zložitými chemikáliami a liečivami.
Physics World predstavuje kľúčovú súčasť poslania IOP Publishing sprostredkovať svetový výskum a inovácie čo najširšiemu publiku. Stránka je súčasťou portfólia Physics World, ktoré globálnej vedeckej komunite poskytuje kolekciu online, digitálnych a tlačených informačných služieb.