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Il miele e altri liquidi altamente viscosi scorrono più velocemente dell'acqua nei capillari rivestiti in modo speciale. Questa sorprendente scoperta è stata fatta da Maja Vuckovac e colleghi dell'Università Aalto in Finlandia, i quali hanno anche dimostrato che questo effetto controintuitivo deriva dalla soppressione del flusso interno all'interno delle goccioline più viscose. I loro risultati contraddicono direttamente gli attuali modelli teorici sul flusso dei liquidi nei capillari superidrofobici.
Il campo della microfluidica si occupa del controllo del flusso di liquidi attraverso regioni strettamente confinate di capillari, solitamente per la produzione di dispositivi per applicazioni mediche. I fluidi a bassa viscosità sono i più adatti alla microfluidica perché scorrono rapidamente e senza sforzo. I fluidi più viscosi possono essere utilizzati facendoli scorrere a pressioni più elevate, ma ciò aumenta lo stress meccanico sulle delicate strutture capillari, con il rischio di danneggiarle.
In alternativa, il flusso può essere accelerato utilizzando un rivestimento superidrofobico contenente micro e nanostrutture che intrappolano cuscinetti d'aria. Questi cuscinetti riducono significativamente l'area di contatto tra il liquido e la superficie, il che a sua volta riduce l'attrito, aumentando il flusso del 65%. Tuttavia, secondo la teoria attuale, queste portate continuano a diminuire con l'aumentare della viscosità.
Il team di Vuckovac ha testato questa teoria osservando goccioline di diversa viscosità mentre venivano attirate dalla gravità da capillari verticali con rivestimenti interni superidrofobici. Mentre si muovono a velocità costante, le goccioline comprimono l'aria sottostante, creando un gradiente di pressione paragonabile a quello presente in un pistone.
Mentre le gocce mostravano la prevista relazione inversa tra viscosità e velocità di flusso nei tubi aperti, quando una o entrambe le estremità venivano sigillate, le regole si invertivano completamente. L'effetto era più pronunciato con le gocce di glicerolo: pur essendo tre ordini di grandezza più viscose dell'acqua, scorrevano più di 10 volte più velocemente dell'acqua.
Per svelare la fisica alla base di questo effetto, il team di Vuckovac ha introdotto particelle traccianti nelle goccioline. Il movimento delle particelle nel tempo ha rivelato un rapido flusso interno all'interno della gocciolina meno viscosa. Questi flussi fanno sì che il fluido penetri nelle strutture micro e nanometriche del rivestimento. Ciò riduce lo spessore del cuscinetto d'aria, impedendo all'aria pressurizzata sotto la gocciolina di fuoriuscire per bilanciare il gradiente di pressione. Al contrario, la glicerina non presenta quasi alcun flusso interno percettibile, inibendo la sua penetrazione nel rivestimento. Ciò si traduce in un cuscinetto d'aria più spesso, facilitando lo spostamento laterale dell'aria sotto la gocciolina.
Sfruttando le loro osservazioni, il team ha sviluppato un modello idrodinamico aggiornato che predice con maggiore precisione il movimento delle goccioline attraverso i capillari con diversi rivestimenti superidrofobici. Ulteriori ricerche potrebbero portare a nuove modalità di creazione di dispositivi microfluidici in grado di gestire sostanze chimiche e farmaci complessi.
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