Дякуємо за реєстрацію у Physical World. Якщо ви хочете змінити свої дані будь-коли, будь ласка, відвідайте мій обліковий запис.
Мед та інші високов'язкі рідини течуть швидше, ніж вода, у спеціально покритих капілярах. Дивовижне відкриття зробили Майя Вучковац та її колеги з Університету Аалто у Фінляндії, які також показали, що цей нелогічний ефект виникає через пригнічення внутрішнього потоку всередині більш в'язких крапель. Їхні результати прямо суперечать сучасним теоретичним моделям того, як рідини течуть у супергідрофобних капілярах.
Галузь мікрофлюїдики включає керування потоком рідин через щільно обмежені області капілярів, зазвичай для виготовлення пристроїв медичного застосування. Рідини з низькою в'язкістю найкраще підходять для мікрофлюїдики, оскільки вони течуть швидко та без зусиль. Більш в'язкі рідини можна використовувати, переміщуючи їх під вищим тиском, але це збільшує механічне напруження в делікатних капілярних структурах, що може призвести до руйнування.
Як варіант, потік можна прискорити за допомогою супергідрофобного покриття, що містить мікро- та наноструктури, що утримують 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 сучасною теорією, ці швидкості потоку продовжують зменшуватися зі збільшенням в'язкості.
Команда Вучковаца перевірила цю теорію, спостерігаючи за краплями різної в'язкості, які сила тяжіння витягувала з вертикальних капілярів із супергідрофобними внутрішніми покриттями. Рухаючись з постійною швидкістю, краплі стискають повітря під собою, створюючи градієнт тиску, порівнянний з градієнтом у поршні.
Хоча краплі демонстрували очікувану обернену залежність між в'язкістю та швидкістю потоку у відкритих пробірках, коли один або обидва кінці були герметично закриті, правила були повністю протилежними. Ефект був найбільш вираженим для крапель гліцерину — хоча він був на 3 порядки в'язкішим за воду, він тек більш ніж у 10 разів швидше за воду.
Щоб розкрити фізику цього ефекту, команда Вучковаца ввела трасерні частинки в краплі. Рух частинок з часом 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 для збалансування градієнта тиску. На противагу цьому, гліцерин майже не має помітного внутрішнього потоку, що перешкоджає його проникненню в покриття. Це призводить до утворення товстішої повітряної подушки, що полегшує рух повітря під краплею в один бік.
Використовуючи свої спостереження, команда розробила оновлену гідродинамічну модель, яка краще передбачає рух крапель через капіляри з різними супергідрофобними покриттями. Подальша робота може призвести до нових способів створення мікрофлюїдних пристроїв, здатних обробляти складні хімічні речовини та ліки.
«Physics World» є ключовою частиною місії видавництва IOP Publishing, яка полягає в донесенні результатів досліджень та інновацій світового класу до якомога ширшої аудиторії. Сайт є частиною портфоліо «Physics World», яке надає світовій науковій спільноті колекцію онлайн-, цифрових та друкованих інформаційних послуг.