Takk for at du registrerte deg for Physical World. Hvis du ønsker å endre opplysningene dine når som helst, kan du gå til kontoen min.
Honning og andre svært viskøse væsker flyter raskere enn vann i spesialbelagte kapillærer. Det overraskende funnet ble gjort av Maja Vuckovac og kolleger ved Aalto-universitetet i Finland, som også viste at denne kontraintuitive effekten stammer fra undertrykkelsen av intern strømning i mer viskøse dråper. Resultatene deres motsier direkte nåværende teoretiske modeller for hvordan væsker flyter i superhydrofobe kapillærer.
Mikrofluidikkfeltet innebærer å kontrollere væskestrømmen gjennom tett avgrensede områder av kapillærer – vanligvis for produksjon av apparater for medisinske applikasjoner. Lavviskøse væsker er best for mikrofluidikk fordi de flyter raskt og uanstrengt. Mer viskøse væsker kan brukes ved å drive dem ved høyere trykk, men dette øker mekanisk belastning i de delikate kapillærstrukturene – noe som kan føre til svikt.
Alternativt kan strømningen akselereres ved hjelp av et superhydrofobt belegg som inneholder mikro- og nanostrukturer som fanger luftputer. Disse putene reduserer kontaktområdet mellom væsken og overflaten betydelig, noe som igjen reduserer friksjonen – og øker strømningen med 65 %. I følge nåværende teori fortsetter imidlertid disse strømningshastighetene å avta med økende viskositet.
Vuckovacs team testet denne teorien ved å se på dråper med varierende viskositet mens tyngdekraften trakk dem fra vertikale kapillærer med superhydrofobe indre belegg. Når de beveger seg med konstant hastighet, komprimerer dråpene luften under dem, og skaper en trykkgradient som kan sammenlignes med den i stempelet.
Mens dråpene viste det forventede inverse forholdet mellom viskositet og strømningshastighet i åpne rør, var reglene fullstendig reversert når den ene eller begge ender var forseglet. Effekten var mest uttalt med glyserdråper – selv om de var 3 størrelsesordener mer viskøse enn vann, strømmet de mer enn 10 ganger raskere enn vann.
For å avdekke fysikken bak denne effekten, introduserte Vuckovacs team sporpartikler i dråpene. Partiklenes bevegelse over tid avdekket en rask intern strømning i den mindre viskøse dråpen. Disse strømningene får væsken til å trenge inn i mikro- og nanoskalastrukturene i belegget. Dette reduserer tykkelsen på luftputen, noe som forhindrer at trykkluften under dråpen presses gjennom for å balansere trykkgradienten. I motsetning til dette har glyserin nesten ingen merkbar intern strømning, noe som hemmer penetrasjonen inn i belegget. Dette resulterer i en tykkere luftpute, noe som gjør det lettere for luften under dråpen å bevege seg til den ene siden.
Ved hjelp av observasjonene sine utviklet teamet en oppdatert hydrodynamisk modell som bedre forutsier hvordan dråper beveger seg gjennom kapillærer med forskjellige superhydrofobe belegg. Med videre arbeid kan funnene deres føre til nye måter å lage mikrofluidiske enheter som er i stand til å håndtere komplekse kjemikalier og legemidler.
Physics World representerer en sentral del av IOP Publishings oppdrag om å formidle forskning og innovasjon i verdensklasse til et bredest mulig publikum. Nettstedet er en del av Physics World-porteføljen, som tilbyr en samling av online, digitale og trykte informasjonstjenester til det globale vitenskapelige samfunnet.