Tack för att du registrerade dig för Physical World. Om du vill ändra dina uppgifter när som helst kan du besöka mitt konto.
Honung och andra högviskösa vätskor flyter snabbare än vatten i specialbelagda kapillärer. Det överraskande fyndet gjordes av Maja Vuckovac och kollegor vid Aalto-universitetet i Finland, som också visade att denna kontraintuitiva effekt härrör från undertryckandet av internt flöde i mer viskösa droppar. Deras resultat motsäger direkt nuvarande teoretiska modeller för hur vätskor flyter i superhydrofoba kapillärer.
Mikrofluidikområdet involverar kontroll av vätskeflödet genom tätt avgränsade områden i kapillärer – vanligtvis för tillverkning av anordningar för medicinska tillämpningar. Lågviskösa vätskor är bäst för mikrofluidik eftersom de flyter snabbt och enkelt. Mer viskösa vätskor kan användas genom att driva dem vid högre tryck, men detta ökar den mekaniska belastningen i de känsliga kapillärstrukturerna – vilket kan leda till fel.
Alternativt kan flödet accelereras med hjälp av en superhydrofob beläggning som innehåller mikro- och nanostrukturer som fångar luftkuddar. Dessa kuddar minskar avsevärt kontaktytan mellan vätskan och ytan, vilket i sin tur minskar friktionen – vilket ökar flödet med 65 %. Enligt nuvarande teori fortsätter dock dessa flödeshastigheter att minska med ökande viskositet.
Vuckovacs team testade denna teori genom att titta på droppar med varierande viskositet när gravitationen drog dem från vertikala kapillärer med superhydrofoba inre beläggningar. När de färdas med konstant hastighet komprimerar dropparna luften under dem, vilket skapar en tryckgradient jämförbar med den i kolven.
Medan dropparna uppvisade det förväntade inversa förhållandet mellan viskositet och flödeshastighet i öppna rör, var reglerna helt omvända när en eller båda ändar var förseglade. Effekten var mest uttalad med glyceroldroppar – även om de var 3 storleksordningar mer viskösa än vatten, flödade de mer än 10 gånger snabbare än vatten.
För att avslöja fysiken bakom denna effekt introducerade Vuckovacs team spårpartiklar i dropparna. Partiklarnas rörelse över tid avslöjade ett snabbt internt flöde i den mindre viskösa droppen. Dessa flöden får vätskan att tränga in i mikro- och nanostrukturerna i beläggningen. Detta minskar luftkuddens tjocklek, vilket förhindrar att den trycksatta luften under droppen pressas igenom för att balansera tryckgradienten. Däremot har glycerin nästan inget märkbart internt flöde, vilket hämmar dess penetration in i beläggningen. Detta resulterar i en tjockare luftkudde, vilket gör det lättare för luften under droppen att röra sig åt sidan.
Med hjälp av sina observationer utvecklade teamet en uppdaterad hydrodynamisk modell som bättre förutsäger hur droppar rör sig genom kapillärer med olika superhydrofoba beläggningar. Med ytterligare arbete kan deras resultat leda till nya sätt att skapa mikrofluidiska anordningar som kan hantera komplexa kemikalier och läkemedel.
Physics World representerar en viktig del av IOP Publishings uppdrag att kommunicera forskning och innovation i världsklass till en så bred publik som möjligt. Webbplatsen är en del av Physics Worlds portfölj, som tillhandahåller en samling online-, digitala och tryckta informationstjänster till det globala vetenskapssamhället.