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O mel e outros líquidos altamente viscosos fluem mais rápido que a água em capilares com revestimento especial. A descoberta surpreendente foi feita por Maja Vuckovac e seus colegas da Universidade Aalto, na Finlândia, que também demonstraram que esse efeito contraintuitivo resulta da supressão do fluxo interno em gotículas mais viscosas. Seus resultados contradizem diretamente os modelos teóricos atuais sobre como os líquidos fluem em capilares super-hidrofóbicos.
O campo da microfluídica envolve o controle do fluxo de líquidos através de regiões estreitamente confinadas de capilares — geralmente para a fabricação de dispositivos para aplicações médicas. Fluidos de baixa viscosidade são os mais indicados para microfluídica, pois fluem de forma rápida e sem esforço. Fluidos mais viscosos podem ser utilizados sob pressões mais elevadas, mas isso aumenta o estresse mecânico nas delicadas estruturas capilares — o que pode levar à sua ruptura.
Alternativamente, o fluxo pode ser acelerado usando um revestimento super-hidrofóbico que contém micro e nanoestruturas que aprisionam bolsas de ar. Essas bolsas reduzem significativamente a área de contato entre o líquido e a superfície, o que, por sua vez, reduz o atrito – aumentando o fluxo em 65%. No entanto, de acordo com a teoria atual, essas taxas de fluxo continuam a diminuir com o aumento da viscosidade.
A equipe de Vuckovac testou essa teoria observando gotículas de viscosidades variadas enquanto a gravidade as puxava de capilares verticais com revestimentos internos super-hidrofóbicos. À medida que se deslocam a uma velocidade constante, as gotículas comprimem o ar abaixo delas, criando um gradiente de pressão comparável ao de um pistão.
Embora as gotas apresentassem a relação inversa esperada entre viscosidade e taxa de fluxo em tubos abertos, quando uma ou ambas as extremidades eram seladas, as regras se invertiam completamente. O efeito foi mais pronunciado com gotas de glicerol — embora três ordens de magnitude mais viscosas que a água, elas fluíam mais de 10 vezes mais rápido que a água.
Para desvendar a física por trás desse efeito, a equipe de Vuckovac introduziu partículas traçadoras nas gotículas. O movimento das partículas ao longo do tempo revelou um fluxo interno rápido dentro da gotícula menos viscosa. Esses fluxos fazem com que o fluido penetre nas estruturas em micro e nanoescala do revestimento. Isso reduz a espessura da camada de ar, impedindo que o ar pressurizado sob a gotícula a atravesse para equilibrar o gradiente de pressão. Em contraste, a glicerina quase não apresenta fluxo interno perceptível, inibindo sua penetração no revestimento. Isso resulta em uma camada de ar mais espessa, facilitando o deslocamento do ar sob a gota para um dos lados.
Com base em suas observações, a equipe desenvolveu um modelo hidrodinâmico atualizado que prevê melhor como as gotículas se movem através de capilares com diferentes revestimentos super-hidrofóbicos. Com trabalhos futuros, suas descobertas podem levar a novas maneiras de criar dispositivos microfluídicos capazes de manipular substâncias químicas e medicamentos complexos.
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