Bedankt voor je aanmelding bij Physical World. Als je je gegevens op enig moment wilt wijzigen, ga dan naar mijn account.
Honing en andere zeer stroperige vloeistoffen stromen sneller dan water in speciaal gecoate capillairen. Deze verrassende ontdekking werd gedaan door Maja Vuckovac en collega's van de Aalto Universiteit in Finland. Zij toonden tevens aan dat dit contra-intuïtieve effect voortkomt uit de onderdrukking van de interne stroming binnen de meer stroperige druppels. Hun resultaten spreken de huidige theoretische modellen over de stroming van vloeistoffen in superhydrofobe capillairen rechtstreeks tegen.
Het vakgebied van de microfluidica omvat het beheersen van de vloeistofstroom door nauw afgesloten gebieden van capillairen – meestal voor de fabricage van apparaten voor medische toepassingen. Vloeistoffen met een lage viscositeit zijn het meest geschikt voor microfluidica omdat ze snel en moeiteloos stromen. Vloeistoffen met een hogere viscositeit kunnen worden gebruikt door ze onder hogere druk te persen, maar dit verhoogt de mechanische spanning in de delicate capillaire structuren, wat tot defecten kan leiden.
Als alternatief kan de stroming worden versneld door gebruik te maken van een superhydrofobe coating met micro- en nanostructuren die luchtkussens vasthouden. Deze kussens verminderen het contactoppervlak tussen de vloeistof en het oppervlak aanzienlijk, waardoor de wrijving afneemt en de stroming met 65% toeneemt. Volgens de huidige theorie nemen deze stromingssnelheden echter af naarmate de viscositeit toeneemt.
Het team van Vuckovac testte deze theorie door druppels met verschillende viscositeiten te bestuderen die door de zwaartekracht uit verticale capillairen met superhydrofobe binnenbekledingen werden getrokken. Terwijl de druppels met constante snelheid bewegen, comprimeren ze de lucht eronder, waardoor een drukgradiënt ontstaat die vergelijkbaar is met die in de zuiger.
Hoewel druppels in open buizen de verwachte omgekeerde relatie tussen viscositeit en stroomsnelheid vertoonden, waren de regels volledig omgekeerd wanneer een of beide uiteinden werden afgesloten. Dit effect was het meest uitgesproken bij glyceroldruppels: hoewel glycerol drie ordes van grootte viskeuzer is dan water, stroomde het meer dan tien keer sneller dan water.
Om de natuurkundige principes achter dit effect te ontrafelen, introduceerde het team van Vuckovac tracerdeeltjes in de druppels. De beweging van de deeltjes in de loop van de tijd onthulde een snelle interne stroming in de minder viskeuze druppel. Deze stromingen zorgen ervoor dat de vloeistof doordringt in de micro- en nanostructuren in de coating. Dit vermindert de dikte van het luchtkussen, waardoor de onder druk staande lucht onder de druppel er niet doorheen kan persen om het drukverschil te compenseren. Glycerine daarentegen vertoont vrijwel geen waarneembare interne stroming, waardoor het niet in de coating kan doordringen. Dit resulteert in een dikker luchtkussen, waardoor de lucht onder de druppel gemakkelijker naar één kant kan bewegen.
Op basis van hun observaties ontwikkelde het team een ​​bijgewerkt hydrodynamisch model dat beter voorspelt hoe druppels zich door capillairen met verschillende superhydrofobe coatings bewegen. Met verder onderzoek zouden hun bevindingen kunnen leiden tot nieuwe manieren om microfluïdische apparaten te creëren die complexe chemicaliën en medicijnen kunnen verwerken.
Physics World vormt een belangrijk onderdeel van de missie van IOP Publishing om onderzoek en innovatie van wereldklasse te communiceren naar een zo breed mogelijk publiek. De site maakt deel uit van het Physics World-portfolio, dat een verzameling online, digitale en gedrukte informatiediensten biedt aan de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap.