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Honig und andere hochviskose Flüssigkeiten fließen in speziell beschichteten Kapillaren schneller als Wasser. Diese überraschende Entdeckung machten Maja Vuckovac und ihre Kollegen an der Aalto-Universität in Finnland. Sie zeigten auch, dass dieser kontraintuitive Effekt auf die Unterdrückung der internen Strömung in den viskoseren Tröpfchen zurückzuführen ist. Ihre Ergebnisse widersprechen den gängigen theoretischen Modellen zur Strömung von Flüssigkeiten in superhydrophoben Kapillaren.
Die Mikrofluidik befasst sich mit der Steuerung des Flüssigkeitsflusses durch eng begrenzte Kapillarbereiche – üblicherweise zur Herstellung von Geräten für medizinische Anwendungen. Niedrigviskose Flüssigkeiten eignen sich am besten für die Mikrofluidik, da sie schnell und mühelos fließen. Viskositätsreichere Flüssigkeiten können zwar durch höhere Drücke verwendet werden, dies erhöht jedoch die mechanische Belastung der empfindlichen Kapillarstrukturen und kann zu deren Ausfall führen.
Alternativ lässt sich der Fluss durch eine superhydrophobe Beschichtung beschleunigen, die Mikro- und Nanostrukturen enthält, welche Luftpolster einschließen. Diese Polster verringern die Kontaktfläche zwischen Flüssigkeit und Oberfläche erheblich, wodurch die Reibung reduziert und der Fluss um 65 % gesteigert wird. Laut aktueller Theorie nehmen diese Flussraten jedoch mit steigender Viskosität weiter ab.
Vuckovacs Team testete diese Theorie, indem es Tropfen unterschiedlicher Viskosität untersuchte, die durch die Schwerkraft aus vertikalen Kapillaren mit superhydrophoben Innenbeschichtungen gezogen wurden. Während sie sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, komprimieren die Tropfen die Luft unter sich und erzeugen so einen Druckgradienten, der mit dem im Kolben vergleichbar ist.
Während sich in offenen Röhren die erwartete umgekehrte Beziehung zwischen Viskosität und Fließgeschwindigkeit bei Tropfen zeigte, kehrten sich die Regeln vollständig um, wenn ein oder beide Enden verschlossen waren. Der Effekt war bei Glycerintropfen am deutlichsten ausgeprägt – obwohl Glycerin drei Größenordnungen viskoser als Wasser war, floss es mehr als zehnmal schneller.
Um die physikalischen Grundlagen dieses Effekts zu entschlüsseln, gab Vuckovacs Team Tracerpartikel in die Tröpfchen. Die Bewegung der Partikel im Zeitverlauf offenbarte eine schnelle interne Strömung innerhalb des weniger viskosen Tröpfchens. Diese Strömungen bewirken, dass die Flüssigkeit in die Mikro- und Nanostrukturen der Beschichtung eindringt. Dadurch verringert sich die Dicke des Luftpolsters, wodurch verhindert wird, dass die unter dem Tröpfchen stehende Druckluft hindurchströmt, um den Druckgradienten auszugleichen. Im Gegensatz dazu weist Glycerin nahezu keine wahrnehmbare interne Strömung auf, was sein Eindringen in die Beschichtung hemmt. Dies führt zu einem dickeren Luftpolster, wodurch die Luft unter dem Tropfen leichter zur Seite strömen kann.
Auf Grundlage ihrer Beobachtungen entwickelte das Team ein aktualisiertes hydrodynamisches Modell, das die Bewegung von Tröpfchen durch Kapillaren mit unterschiedlichen superhydrophoben Beschichtungen besser vorhersagt. Mit weiterer Forschung könnten ihre Erkenntnisse zu neuen Wegen für die Entwicklung mikrofluidischer Geräte führen, die komplexe Chemikalien und Medikamente handhaben können.
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