Ďakujeme, že ste sa zaregistrovali do služby Physical World. Ak chcete kedykoľvek zmeniť svoje údaje, navštívte môj účet.
Med a iné vysoko viskózne kvapaliny tečú v špeciálne potiahnutých kapilárach rýchlejšie ako voda. Prekvapivý objav urobili Maja Vuckovac a jej kolegovia z Aalto University vo Fínsku, ktorí tiež ukázali, že tento protiintuitívny efekt pramení z potlačenia vnútorného prúdenia vo viskóznejších kvapôčkach. Ich výsledky priamo protirečia súčasným teoretickým modelom prúdenia kvapalín v superhydrofóbnych kapilárach.
Oblasť mikrofluidiky zahŕňa riadenie toku kvapalín cez tesne uzavreté oblasti kapilár – zvyčajne na výrobu zariadení na lekárske aplikácie. Kvapaliny s nízkou viskozitou sú pre mikrofluidiku najlepšie, pretože tečú rýchlo a bez námahy. Viskóznejšie kvapaliny sa dajú použiť ich poháňaním pri vyšších tlakoch, ale to zvyšuje mechanické namáhanie v jemných kapilárnych štruktúrach – čo môže viesť k poruche.
Alternatívne je možné tok zrýchliť pomocou superhydrofóbneho povlaku, ktorý obsahuje mikro- a nanostruktúry zachytávajúce vzduchové vankúše. Tieto vankúše výrazne zmenšujú kontaktnú plochu medzi kvapalinou a povrchom, čo následne znižuje trenie – zvyšuje tok o 65 %. Podľa súčasnej teórie však tieto prietoky so zvyšujúcou sa viskozitou naďalej klesajú.
Vuckovacov tím túto teóriu otestoval skúmaním kvapôčok s rôznou viskozitou, ktoré gravitácia vyťahovala z vertikálnych kapilár so superhydrofóbnymi vnútornými povlakmi. Keď sa kvapôčky pohybujú konštantnou rýchlosťou, stláčajú vzduch pod sebou a vytvárajú tlakový gradient porovnateľný s tlakom v pieste.
Zatiaľ čo kvapôčky vykazovali očakávaný inverzný vzťah medzi viskozitou a prietokom v otvorených skúmavkách, keď bol jeden alebo oba konce utesnené, pravidlá boli úplne opačné. Účinok bol najvýraznejší pri kvapôčkach glycerolu – aj keď bol o 3 rády viskóznejší ako voda, tiekol viac ako 10-krát rýchlejšie ako voda.
Aby odhalil fyziku tohto efektu, Vuckovacov tím zaviedol do kvapôčok stopovacie častice. Pohyb častíc v priebehu času odhalil rýchly vnútorný tok v menej viskóznej kvapôčke. Tieto toky spôsobujú, že tekutina preniká do mikro- a nanoškálových štruktúr v povlaku. To znižuje hrúbku vzduchového vankúša, čo bráni stlačenému vzduchu pod kvapkou pretlačiť sa a vyrovnať tlakový gradient. Naproti tomu glycerín nemá takmer žiadny badateľný vnútorný tok, čo bráni jeho prenikaniu do povlaku. Výsledkom je hrubší vzduchový vankúš, ktorý uľahčuje pohyb vzduchu pod kvapkou na jednu stranu.
Na základe svojich pozorovaní tím vyvinul aktualizovaný hydrodynamický model, ktorý lepšie predpovedá, ako sa kvapôčky pohybujú kapilárami s rôznymi superhydrofóbnymi povlakmi. S ďalšou prácou by ich zistenia mohli viesť k novým spôsobom vytvorenia mikrofluidných zariadení schopných spracovať zložité chemikálie a lieky.
Stránka Physics World predstavuje kľúčovú súčasť poslania vydavateľstva IOP Publishing, ktorým je sprostredkovať výskum a inovácie svetovej úrovne čo najširšiemu publiku. Stránka je súčasťou portfólia Physics World, ktoré poskytuje globálnej vedeckej komunite kolekciu online, digitálnych a tlačených informačných služieb.