Дякуємо за реєстрацію на Physical World. Якщо ви захочете будь-коли змінити свої дані, відвідайте мій обліковий запис
Мед та інші високов’язкі рідини течуть швидше, ніж вода, у капілярах зі спеціальним покриттям. Несподіваний висновок зробили Майя Вучковак та її колеги з Університету Аалто у Фінляндії, які також показали, що цей суперечливий ефект виникає через придушення внутрішнього потоку в більш в’язких краплях. Їхні результати прямо суперечать поточним теоретичним моделям течії рідин у супергідрофобних капілярах.
Сфера мікрофлюїдики передбачає контроль потоку рідин через тісно обмежені ділянки капілярів, як правило, для виготовлення пристроїв для медичних застосувань. Рідини з низькою в’язкістю найкраще підходять для мікрофлюідики, оскільки вони течуть швидко й без зусиль. Більш в’язкі рідини можна використовувати, підганяючи їх під вищим тиском, але це збільшує механічну напругу в тонких капілярних структурах, що може призвести до збою.
Крім того, потік можна прискорити за допомогою супергідрофобного покриття, яке містить мікро- та наноструктури, які затримують повітряні подушки. Ці подушки значно зменшують площу контакту між рідиною та поверхнею, що, у свою чергу, зменшує тертя, збільшуючи потік на 65%. Однак, згідно з поточною теорією, ці швидкості потоку продовжують зменшуватися зі збільшенням в’язкості.
Команда Вучковака перевірила цю теорію, спостерігаючи за краплями різної в’язкості, коли гравітація витягувала їх із вертикальних капілярів із супергідрофобним внутрішнім покриттям. Коли вони рухаються з постійною швидкістю, краплі стискають повітря під собою, створюючи градієнт тиску, порівнянний із градієнтом тиску в поршні.
У той час як краплі показали очікувану зворотну залежність між в’язкістю та швидкістю потоку у відкритих трубах, коли один або обидва кінці були загерметизовані, правила були повністю протилежними. Ефект був найбільш вираженим з краплями гліцерину — хоча вони на 3 порядки в’язкіші за воду, вони текли більш ніж у 10 разів швидше, ніж вода.
Щоб розкрити фізику цього ефекту, команда Вучковака ввела в краплі індикаторні частинки. Рух частинок з плином часу виявив швидкий внутрішній потік у менш в’язкій краплі. Ці потоки змушують рідину проникати в мікро- та нанорозмірні структури покриття. Це зменшує товщину повітряної подушки, запобігаючи продавлюванню стисненого повітря під краплею, щоб збалансувати градієнт тиску. Навпаки, гліцерин майже не має помітного внутрішнього потоку, що перешкоджає його проникненню в покриття. Це призводить до більш товстої повітряної подушки, полегшуючи рух повітря під краплею вбік.
Використовуючи свої спостереження, команда розробила оновлену гідродинамічну модель, яка краще прогнозує, як краплі рухаються через капіляри з різними супергідрофобними покриттями. У подальшій роботі їхні висновки можуть допомогти створити нові способи створення мікрофлюїдних пристроїв, здатних працювати зі складними хімічними речовинами та ліками.
Physics World є ключовою частиною місії видавництва IOP Publishing, спрямованої на поширення досліджень та інновацій світового рівня якнайширшій аудиторії. Сайт є частиною портфоліо Physics World, яке надає колекцію онлайнових, цифрових і друкованих інформаційних послуг для світової наукової спільноти.