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Le miel et d'autres liquides très visqueux s'écoulent plus rapidement que l'eau dans des capillaires spécialement revêtus. La découverte surprenante a été faite par Maja Vuckovac et ses collègues de l'Université Aalto en Finlande, qui ont également montré que cet effet contre-intuitif provient de la suppression du flux interne dans les gouttelettes plus visqueuses. Leurs résultats contredisent directement les modèles théoriques actuels sur la façon dont les liquides s'écoulent dans les capillaires superhydrophobes.
Le domaine de la microfluidique implique le contrôle du flux de liquides à travers des zones étroitement confinées de capillaires, généralement pour la fabrication de dispositifs destinés à des applications médicales. Les fluides à faible viscosité sont les meilleurs pour la microfluidique car ils s'écoulent rapidement et sans effort. Des fluides plus visqueux peuvent être utilisés en les entraînant à des pressions plus élevées, mais cela augmente la contrainte mécanique dans les structures capillaires délicates, ce qui peut entraîner une défaillance.
Alternativement, le flux peut être accéléré à l'aide d'un revêtement superhydrophobe qui contient des micro- et nanostructures qui emprisonnent des coussins d'air. Ces coussins réduisent considérablement la zone de contact entre le liquide et la surface, ce qui à son tour réduit la friction - augmentant le flux de 65 %. Cependant, selon la théorie actuelle, ces débits continuent de diminuer avec l'augmentation de la viscosité.
L'équipe de Vuckovac a testé cette théorie en observant des gouttelettes de viscosités variables alors que la gravité les tirait de capillaires verticaux dotés de revêtements internes superhydrophobes. Lorsqu'elles se déplacent à vitesse constante, les gouttelettes compriment l'air en dessous d'elles, créant un gradient de pression comparable à celui du piston.
Alors que les gouttelettes montraient la relation inverse attendue entre la viscosité et le débit dans les tubes ouverts, lorsque l'une ou les deux extrémités étaient scellées, les règles étaient complètement inversées. L'effet était le plus prononcé avec les gouttelettes de glycérol, même si elles étaient 3 ordres de grandeur plus visqueuses que l'eau, elles coulaient plus de 10 fois plus vite que l'eau.
Pour découvrir la physique derrière cet effet, l'équipe de Vuckovac a introduit des particules traceuses dans les gouttelettes. Le mouvement des particules au fil du temps a révélé un flux interne rapide dans la gouttelette la moins visqueuse. Ces flux font pénétrer le fluide dans les structures à l'échelle micro et nanométrique du revêtement. Cela réduit l'épaisseur du coussin d'air, empêchant l'air sous pression sous la gouttelette de se faufiler pour équilibrer le gradient de pression. En revanche, la glycérine n'a presque pas de flux interne perceptible, ce qui inhibe sa pénétration dans le revêtement. Il en résulte un coussin d'air plus épais, ce qui facilite le déplacement de l'air sous la goutte vers un côté.
À l’aide de leurs observations, l’équipe a développé un modèle hydrodynamique mis à jour qui prédit mieux la façon dont les gouttelettes se déplacent dans les capillaires avec différents revêtements superhydrophobes. Avec des travaux supplémentaires, leurs découvertes pourraient conduire à de nouvelles façons de créer des dispositifs microfluidiques capables de gérer des produits chimiques et des médicaments complexes.
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