Děkujeme za registraci do Fyzického světa. Pokud chcete kdykoli změnit své údaje, navštivte prosím můj účet.
Med a další vysoce viskózní kapaliny proudí ve speciálně potažených kapilárách rychleji než voda. Překvapivého zjištění dosáhli Maja Vuckovac a kolegové z Aalto University ve Finsku, kteří také ukázali, že tento protichůdný efekt pramení z potlačení vnitřního proudění uvnitř viskóznějších kapiček. Jejich výsledky přímo odporují současným teoretickým modelům proudění kapalin v superhydrofobních kapilárách.
Oblast mikrofluidiky zahrnuje řízení toku kapalin těsně uzavřenými oblastmi kapilár – obvykle pro výrobu zařízení pro lékařské aplikace. Kapaliny s nízkou viskozitou jsou pro mikrofluidiku nejlepší, protože proudí rychle a bez námahy. Viskóznější kapaliny lze použít jejich poháněním při vyšších tlacích, ale to zvyšuje mechanické namáhání v jemných kapilárních strukturách – což může vést k selhání.
Alternativně lze tok urychlit pomocí superhydrofobního povlaku, který obsahuje mikro- a nanostruktury, jež zachycují vzduchové polštáře. Tyto polštáře výrazně zmenšují kontaktní plochu mezi kapalinou a povrchem, což následně snižuje tření – zvyšuje tok o 65 %. Podle současné teorie však tyto průtoky s rostoucí viskozitou nadále klesají.
Vuckovacův tým tuto teorii otestoval pozorováním kapiček s různou viskozitou, které gravitace vytahovala z vertikálních kapilár se superhydrofobními vnitřními povlaky. Při pohybu konstantní rychlostí kapičky stlačují vzduch pod sebou a vytvářejí tlakový gradient srovnatelný s tlakem v pístu.
Zatímco kapičky vykazovaly v otevřených zkumavkách očekávaný inverzní vztah mezi viskozitou a průtokem, když byl jeden nebo oba konce uzavřen, pravidla byla zcela obrácená. Efekt byl nejvýraznější u kapiček glycerolu – i když byl o 3 řády viskóznější než voda, tekl více než 10krát rychleji než voda.
Aby odhalil fyziku tohoto jevu, Vuckovacův tým zavedl do kapiček stopovací částice. Pohyb částic v průběhu času odhalil rychlý vnitřní tok uvnitř méně viskózní kapičky. Tyto toky způsobují, že tekutina proniká do mikro- a nanostruktur v povlaku. To snižuje tloušťku vzduchového polštáře, což brání stlačenému vzduchu pod kapkou v protlačení a vyrovnání tlakového gradientu. Naproti tomu glycerin nemá téměř žádné znatelné vnitřní proudění, což brání jeho pronikání do povlaku. Výsledkem je silnější vzduchový polštář, který usnadňuje vzduchu pod kapkou pohyb na jednu stranu.
Na základě svých pozorování tým vyvinul aktualizovaný hydrodynamický model, který lépe předpovídá, jak se kapičky pohybují kapilárami s různými superhydrofobními povlaky. S dalším výzkumem by jejich zjištění mohla vést k novým způsobům vytváření mikrofluidní zařízení schopné manipulovat se složitými chemikáliemi a léčivy.
Stránky Physics World představují klíčovou součást poslání vydavatelství IOP Publishing, kterým je sdělovat výzkum a inovace světové úrovně co nejširšímu publiku. Stránky jsou součástí portfolia Physics World, které poskytuje globální vědecké komunitě kolekci online, digitálních a tištěných informačních služeb.