Tack för att du registrerade dig för Physical World Om du vill ändra dina uppgifter när som helst, besök mitt konto
Honung och andra högviskösa vätskor flyter snabbare än vatten i specialbelagda kapillärer. Det överraskande fyndet gjordes av Maja Vuckovac och kollegor vid Aalto-universitetet i Finland, som också visade att denna kontraintuitiva effekt härrör från undertryckandet av internt flöde i mer trögflytande droppar. Deras resultat motsäger direkt nuvarande teoretiska flödeskapillärer i superhydrofoba kapillärer.
Området mikrofluidik involverar att kontrollera flödet av vätskor genom tätt avgränsade områden av kapillärer - vanligtvis för tillverkning av anordningar för medicinska tillämpningar. Vätskor med låg viskositet är bäst för mikrofluidik eftersom de flödar snabbt och utan ansträngning. Mer trögflytande vätskor kan användas genom att driva dem vid högre tryck, men detta ökar den ömtåliga mekaniska spänningen i kapillärstrukturen.
Alternativt kan flödet accelereras med hjälp av en superhydrofob beläggning som innehåller mikro- och nanostrukturer som fångar in luftkuddar. Dessa kuddar minskar avsevärt kontaktytan mellan vätskan och ytan, vilket i sin tur minskar friktionen – vilket ökar flödet med 65%. Men enligt nuvarande teori fortsätter dessa flödeshastigheter att minska med ökande viskositet.
Vuckovacs team testade denna teori genom att titta på droppar med varierande viskositet när gravitationen drog dem från vertikala kapillärer med superhydrofoba inre beläggningar. När de färdas med konstant hastighet komprimerar dropparna luften under dem, vilket skapar en tryckgradient som är jämförbar med den i kolven.
Medan droppar visade det förväntade omvända förhållandet mellan viskositet och flödeshastighet i öppna rör, när en eller båda ändarna var förseglade, var reglerna helt omvända. Effekten var mest uttalad med glyceroldroppar – även om 3 storleksordningar mer trögflytande än vatten, rann den mer än 10 gånger snabbare än vatten.
För att avslöja fysiken bakom denna effekt, introducerade Vuckovacs team spårpartiklar i dropparna. Partiklarnas rörelse över tiden avslöjade ett snabbt internt flöde i den mindre trögflytande droppen. Dessa flöden gör att vätskan tränger in i strukturerna i mikro- och nanoskala i beläggningen. Detta minskar tjockleken på luftkuddens tjocklek under luftkudden, vilket förhindrar att luften balanseras genom luftkudden. Däremot har glycerin nästan inget märkbart inre flöde, vilket hämmar dess penetration in i beläggningen. Detta resulterar i en tjockare luftkudde, vilket gör det lättare för luften under droppen att flytta åt sidan.
Med hjälp av sina observationer utvecklade teamet en uppdaterad hydrodynamisk modell som bättre förutsäger hur droppar rör sig genom kapillärer med olika superhydrofoba beläggningar. Med ytterligare arbete kan deras fynd leda till nya sätt att skapa mikrofluidiska enheter som kan hantera komplexa kemikalier och läkemedel.
Physics World utgör en viktig del av IOP Publishings uppdrag att kommunicera forskning och innovation i världsklass till en bredast möjlig publik. Webbplatsen är en del av Physics World-portföljen, som tillhandahåller en samling online-, digital- och tryckinformationstjänster till det globala forskarsamhället.