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 przepływają 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 sprzeczny z intuicją efekt wynika z tłumienia przepływu wewnętrznego w bardziej lepkich kroplach. Ich wyniki bezpośrednio przeczą obecnym modelom teoretycznym opisującym przepływ cieczy w superhydrofobowych naczyniach włosowatych.
Dziedzina mikroprzepływów zajmuje się kontrolowaniem przepływu cieczy przez ściśle ograniczone obszary naczyń włosowatych — zwykle w celu wytwarzania urządzeń do zastosowań medycznych. Płyny o niskiej lepkości najlepiej sprawdzają się w mikroprzepływach, 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 za pomocą powłoki superhydrofobowej zawierającej mikro- i nanostruktury, które zatrzymują 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 pod wpływem grawitacji były wyciągane z pionowych naczyń włosowatych z superhydrofobowymi powłokami wewnętrznymi. Poruszając się ze stałą prędkością, krople sprężają powietrze pod nimi, wytwarzając gradient ciśnienia porównywalny z tym w tłoku.
Podczas gdy w otwartych rurach krople wykazywały oczekiwaną odwrotną zależność między lepkością a szybkością przepływu, gdy jeden lub oba końce były zamknięte, 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 cząstki znacznikowe do kropelek. Ruch cząstek w czasie ujawnił szybki przepływ wewnętrzny w mniej lepkiej kropli. Te przepływy 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. W przeciwieństwie do tego gliceryna nie wykazuje prawie żadnego zauważalnego przepływu wewnętrznego, co utrudnia jej wnikanie w powłokę. W rezultacie poduszka powietrzna staje się grubsza, co ułatwia przesunięcie się powietrza pod kroplą na jedną stronę.
Wykorzystując swoje obserwacje, zespół opracował zaktualizowany model hydrodynamiczny, który lepiej przewiduje sposób, w jaki krople przemieszczają się przez naczynia włosowate z różnymi powłokami superhydrofobowymi. Dalsze prace mogą doprowadzić do powstania nowych sposobów tworzenia urządzeń mikroprzepływowych zdolnych do przetwarzania złożonych substancji chemicznych i leków.
Czasopismo Physics World stanowi kluczową część misji wydawnictwa IOP Publishing, polegającej na przekazywaniu wyników badań naukowych i innowacji na światowym poziomie możliwie najszerszemu gronu odbiorców. Witryna jest częścią portfolio Physics World, które udostępnia zbiór internetowych, cyfrowych i drukowanych usług informacyjnych dla globalnej społeczności naukowej.