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La miel y otros líquidos de alta viscosidad fluyen más rápido que el agua en capilares con un recubrimiento especial. Este sorprendente hallazgo fue realizado por Maja Vuckovac y sus colegas de la Universidad Aalto en Finlandia, quienes también demostraron que este efecto contraintuitivo se debe a la supresión del flujo interno dentro de las gotas más viscosas. Sus resultados contradicen directamente los modelos teóricos actuales sobre cómo fluyen los líquidos en capilares superhidrofóbicos.
El campo de la microfluídica implica controlar el flujo de líquidos a través de regiones muy confinadas de capilares, generalmente para la fabricación de dispositivos para aplicaciones médicas. Los fluidos de baja viscosidad son los mejores para la microfluídica porque fluyen de forma rápida y sin esfuerzo. Se pueden utilizar fluidos más viscosos haciéndolos circular a presiones más altas, pero esto aumenta la tensión mecánica en las delicadas estructuras capilares, lo que puede provocar fallos.
Como alternativa, el flujo puede acelerarse mediante un recubrimiento superhidrofóbico que contiene micro y nanoestructuras que atrapan burbujas de aire. Estas burbujas reducen significativamente el área de contacto entre el líquido y la superficie, lo que a su vez reduce la fricción, aumentando el flujo en un 65 %. Sin embargo, según la teoría actual, estos caudales siguen disminuyendo al aumentar la viscosidad.
El equipo de Vuckovac puso a prueba esta teoría observando gotas de viscosidad variable a medida que la gravedad las extraía de capilares verticales con recubrimientos internos superhidrofóbicos. A medida que viajan a velocidad constante, las gotas comprimen el aire que se encuentra debajo, creando un gradiente de presión comparable al de un pistón.
Si bien en tubos abiertos las gotas mostraron la relación inversa esperada entre la viscosidad y el caudal, cuando uno o ambos extremos estaban sellados, las reglas se invirtieron por completo. El efecto fue más pronunciado con las gotas de glicerol: aunque es tres órdenes de magnitud más viscoso que el agua, fluyó más de diez veces más rápido que esta.
Para descubrir la física detrás de este efecto, el equipo de Vuckovac introdujo partículas trazadoras en las gotas. El movimiento de las partículas a lo largo del tiempo reveló un flujo interno rápido dentro de la gota menos viscosa. Estos flujos hacen que el fluido penetre en las estructuras a micro y nanoescala del recubrimiento. Esto reduce el grosor del colchón de aire, impidiendo que el aire presurizado debajo de la gota se filtre para equilibrar el gradiente de presión. Por el contrario, la glicerina casi no tiene flujo interno perceptible, lo que inhibe su penetración en el recubrimiento. Esto da como resultado un colchón de aire más grueso, lo que facilita que el aire debajo de la gota se mueva hacia un lado.
A partir de sus observaciones, el equipo desarrolló un modelo hidrodinámico actualizado que predice mejor cómo se mueven las gotas a través de capilares con diferentes recubrimientos superhidrofóbicos. Con trabajos adicionales, sus hallazgos podrían conducir a nuevas formas de crear dispositivos microfluídicos capaces de manipular sustancias químicas y fármacos complejos.
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