Tak for din tilmelding til Physical World. Hvis du ønsker at ændre dine oplysninger når som helst, kan du besøge min konto.
Honning og andre meget viskøse væsker flyder hurtigere end vand i specielt belagte kapillærer. Det overraskende fund blev gjort af Maja Vuckovac og kolleger ved Aalto Universitet i Finland, som også viste, at denne kontraintuitive effekt stammer fra undertrykkelsen af ​​intern strømning i mere viskøse dråber. Deres resultater modsiger direkte nuværende teoretiske modeller for, hvordan væsker flyder i superhydrofobe kapillærer.
Mikrofluidik involverer styring af væskestrømning gennem tæt lukkede kapillærområder – normalt til fremstilling af apparater til medicinske anvendelser. Lavviskose væsker er bedst til mikrofluidik, fordi de flyder hurtigt og ubesværet. Mere viskøse væsker kan bruges ved at drive dem ved højere tryk, men dette øger den mekaniske belastning i de sarte kapillærstrukturer – hvilket kan føre til svigt.
Alternativt kan strømningen accelereres ved hjælp af en superhydrofob belægning, der indeholder mikro- og nanostrukturer, der indfanger luftpuder. Disse puder reducerer kontaktarealet mellem væsken og overfladen betydeligt, hvilket igen reducerer friktionen – hvilket øger strømningen med 65%. Ifølge den nuværende teori fortsætter disse strømningshastigheder dog med at falde med stigende viskositet.
Vuckovacs team testede denne teori ved at se på dråber med varierende viskositet, mens tyngdekraften trak dem ud af vertikale kapillærer med superhydrofobe indre belægninger. Når de bevæger sig med konstant hastighed, komprimerer dråberne luften under dem, hvilket skaber en trykgradient, der kan sammenlignes med den i stemplet.
Mens dråberne viste det forventede inverse forhold mellem viskositet og strømningshastighed i åbne rør, var reglerne fuldstændig omvendte, når den ene eller begge ender var forseglet. Effekten var mest udtalt med glyceroldråber - selvom de var 3 størrelsesordener mere viskøse end vand, flød de mere end 10 gange hurtigere end vand.
For at afdække fysikken bag denne effekt introducerede Vuckovacs team sporpartikler i dråberne. Partiklernes bevægelse over tid afslørede en hurtig intern strømning i den mindre viskøse dråbe. Disse strømninger får væsken til at trænge ind i mikro- og nanoskalastrukturerne i belægningen. Dette reducerer tykkelsen af ​​luftpuden, hvilket forhindrer trykluften under dråben i at klemme sig igennem for at afbalancere trykgradienten. I modsætning hertil har glycerin næsten ingen mærkbar intern strømning, hvilket hæmmer dens penetration i belægningen. Dette resulterer i en tykkere luftpude, hvilket gør det lettere for luften under dråben at bevæge sig til den ene side.
Ved hjælp af deres observationer udviklede holdet en opdateret hydrodynamisk model, der bedre forudsiger, hvordan dråber bevæger sig gennem kapillærer med forskellige superhydrofobe belægninger. Med yderligere arbejde kan deres resultater føre til nye måder at skabe mikrofluidiske enheder, der er i stand til at håndtere komplekse kemikalier og lægemidler.
Physics World repræsenterer en central del af IOP Publishings mission om at formidle forskning og innovation i verdensklasse til det bredest mulige publikum. Webstedet er en del af Physics World-porteføljen, som leverer en samling af online, digitale og trykte informationstjenester til det globale videnskabelige samfund.