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꿀과 기타 고점도 액체는 특수 코팅된 모세관에서 물보다 더 빨리 흐릅니다. 놀라운 발견은 핀란드 알토 대학의 마야 부코바크(Maja Vuckovac)와 그의 동료들이 이루어냈는데, 이들은 이러한 반직관적인 효과가 더 점성이 높은 물방울 내의 내부 흐름이 억제되어 발생한다는 것을 보여주었습니다. 이들의 결과는 초소수성 모세관에서 액체가 흐르는 방식에 대한 현재의 이론적 모델과 직접적으로 모순됩니다.
미세유체학 분야는 모세관의 밀폐된 영역을 통해 액체의 흐름을 제어하는 ​​분야로, 주로 의료용 기기를 제조하는 데 사용됩니다. 점도가 낮은 유체는 빠르고 쉽게 흐르기 때문에 미세유체학에 가장 적합합니다. 점도가 높은 유체는 더 높은 압력으로 구동하여 사용할 수 있지만, 이렇게 하면 섬세한 모세관 구조에 기계적 응력이 가중되어 고장이 발생할 수 있습니다.
또는 공기 쿠션을 가두는 미세 및 나노 구조를 포함하는 초소수성 코팅을 사용하여 흐름을 가속화할 수 있습니다. 이러한 쿠션은 액체와 표면 사이의 접촉 면적을 크게 줄여 마찰을 줄이고 흐름을 65% 증가시킵니다. 그러나 현재 이론에 따르면 이러한 흐름 속도는 점도가 증가함에 따라 계속 감소합니다.
Vuckovac의 팀은 초소수성 내부 코팅이 된 수직 모세관에서 중력에 의해 끌어당겨지는 다양한 점도의 물방울을 관찰하여 이 이론을 테스트했습니다. 물방울이 일정한 속도로 이동함에 따라 그 아래의 공기를 압축하여 피스톤의 압력 기울기와 비슷한 압력 기울기를 생성합니다.
열린 튜브 내에서 물방울은 예상대로 점도와 흐름 속도 사이에 반비례 관계를 보였지만, 한쪽 또는 양쪽 끝이 밀봉되었을 때는 규칙이 완전히 반대였습니다. 그 효과는 글리세롤 물방울에서 가장 두드러졌습니다. 물보다 점성이 3배나 더 높았음에도 불구하고, 물보다 10배 이상 빠르게 흘러갔습니다.
이 효과의 이면에 있는 물리학을 밝히기 위해 Vuckovac의 팀은 물방울에 추적 입자를 도입했습니다. 시간이 지남에 따라 입자가 움직이면서 점성이 낮은 물방울 내에서 빠른 내부 흐름이 나타났습니다. 이러한 흐름으로 인해 유체가 코팅의 미세 및 나노 크기 구조로 침투합니다. 이로 인해 공기 쿠션의 두께가 줄어들어 물방울 아래의 가압 공기가 끼어들어 압력 기울기를 균형 잡는 것이 방지됩니다. 이와 대조적으로 글리세린은 내부 흐름이 거의 감지할 수 없어 코팅으로의 침투가 억제됩니다. 이로 인해 공기 쿠션이 두꺼워지고 물방울 아래의 공기가 한쪽으로 이동하기 쉽습니다.
연구팀은 관찰 결과를 바탕으로 다양한 초소수성 코팅이 된 모세관을 통해 물방울이 어떻게 움직이는지 더 정확하게 예측하는 업데이트된 유체역학 모델을 개발했습니다. 추가 연구를 통해 이들의 연구 결과는 복잡한 화학 물질과 약물을 처리할 수 있는 미세유체 장치를 만드는 새로운 방법으로 이어질 수 있습니다.
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