Dziękujemy za zapisanie się do Physical World. Jeśli w dowolnym momencie chcesz zmienić swoje dane, odwiedź moje konto.
Miód i inne płyny o dużej lepkości płyną szybciej niż woda w specjalnie powlekanych naczyniach włosowatych. Zaskakującego odkrycia dokonała Maja Vuckovac i jej współpracownicy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii, którzy wykazali również, że ten nieintuicyjny efekt wynika z tłumienia przepływu wewnętrznego w bardziej lepkich kroplach. Ich wyniki bezpośrednio przeczą obecnym modelom teoretycznym opisującym sposób przepływu cieczy w superhydrofobowych naczyniach włosowatych.
Dziedzina mikroprzepływów zajmuje się kontrolowaniem przepływu cieczy przez ściśle ograniczone obszary naczyń włosowatych, zwykle w celu produkcji urządzeń do zastosowań medycznych. Płyny o niskiej lepkości najlepiej nadają się do mikroprzepływów, ponieważ płyną szybko i bez wysiłku. Bardziej lepkie płyny można stosować, tłocząc je pod wyższym ciśnieniem, ale zwiększa to naprężenia mechaniczne w delikatnych strukturach naczyń włosowatych, co może prowadzić do awarii.
Alternatywnie, przepływ można przyspieszyć stosując powłokę superhydrofobową zawierającą mikro- i nanostruktury zatrzymujące poduszki powietrzne. Poduszki te znacząco zmniejszają powierzchnię styku między cieczą a powierzchnią, co z kolei zmniejsza tarcie – zwiększając przepływ o 65%. Jednak zgodnie z obecną teorią, te szybkości przepływu nadal maleją wraz ze wzrostem lepkości.
Zespół Vuckovaca przetestował tę teorię, obserwując krople o różnej lepkości, które grawitacja wyciągała z pionowych naczyń włosowatych z superhydrofobowymi powłokami wewnętrznymi. Poruszając się ze stałą prędkością, krople sprężają powietrze znajdujące się pod nimi, tworząc gradient ciśnienia porównywalny z tym w tłoku.
Podczas gdy w otwartych rurach krople wykazywały oczekiwaną odwrotną zależność między lepkością a szybkością przepływu, po zamknięciu jednego lub obu końców reguły ulegały całkowitemu odwróceniu. Efekt ten był najbardziej widoczny w przypadku kropli glicerolu — mimo że były o 3 rzędy wielkości bardziej lepkie od wody, płynęły ponad 10 razy szybciej niż woda.
Aby odkryć fizykę stojącą za tym efektem, zespół Vuckovaca wprowadził do kropel cząsteczki znacznikowe. Ruch cząsteczek w czasie ujawnił szybki przepływ wewnętrzny w mniej lepkiej kropli. Przepływy te powodują, że płyn wnika w mikro- i nanostruktury powłoki. Zmniejsza to grubość poduszki powietrznej, zapobiegając przeciskaniu się sprężonego powietrza pod kroplą w celu zrównoważenia gradientu ciśnienia. Z kolei gliceryna nie wykazuje prawie żadnego zauważalnego przepływu wewnętrznego, co utrudnia jej wnikanie w powłokę. W rezultacie powstaje grubsza poduszka powietrzna, dzięki czemu powietrze pod kroplą może łatwiej przesunąć się na jedną stronę.
Wykorzystując swoje obserwacje, zespół opracował zaktualizowany model hydrodynamiczny, który lepiej przewiduje sposób przemieszczania się kropel przez naczynia włosowate z różnymi powłokami superhydrofobowymi. Dalsze prace mogą doprowadzić do nowych sposobów tworzenia urządzeń mikroprzepływowych zdolnych do przetwarzania złożonych substancji chemicznych i leków.
Physics World stanowi kluczową część misji wydawnictwa IOP Publishing, polegającej na przekazywaniu informacji o światowej klasy badaniach naukowych i innowacjach możliwie najszerszemu gronu odbiorców. Witryna jest częścią portfolio Physics World, które udostępnia zbiór internetowych, cyfrowych i drukowanych usług informacyjnych dla globalnej społeczności naukowej.