Styring af en hvirvel ved hjælp af polymerer

En hvirvel i atmosfæren kan buldre med tilstrækkelig kraft til at skabe en tyfon. Men mere subtile hvirvler dannes konstant i naturen. Mange af dem er for små til at kunne ses med det blotte øje.

Når det er enkelt, eller "Newtonske" væsker (som vand) strømmer meget hurtigt eller langs en buet bane, hvirvlende hvirvler udvikler sig. Deres dannelse koster energi og øger "trækkraften, " så der kræves mere energi for at flytte en væske i den ønskede retning. I stor infrastruktur som olierørledninger, den ekstra energi, der kræves for at pumpe væsken, har en betydelig økonomisk omkostning. Ved at tilsætte små mængder polymerer til olien, videnskabsmænd kan reducere intensiteten af ​​hvirvlerne; olien vil derefter flyde med samme hastighed, men med et reduceret pumpetryk, sparer energi og penge. Mens dette fænomen har været kendt siden 1940'erne, Der er mange spørgsmål tilbage om præcis, hvordan polymererne virker.

Selvom det er allestedsnærværende i miljøet, hvirvler har vist sig at være svære at fange og studere i laboratoriet. For nylig, imidlertid, forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) skabte en måde at undersøge disse små-skala boblebade ved hjælp af en enhed, der er specielt udviklet til dette formål. Udgivet i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , deres seneste papir undersøger dannelsen af ​​hvirvler i væsker med og uden tilsatte polymerer.

"Vi kan se meget dramatiske effekter selv med meget små koncentrationer af tilsat polymer, sagde Noa Burshtein, førsteforfatter på papiret og en ph.d. elev på OIST.

Ved hjælp af en 3-D printet "mikrofluidisk" enhed - en lille blok glas indeholdende et par mikroskopiske krydsende kanaler, der ikke er meget bredere end et menneskehår - var forskerne i stand til at skabe en hvirvel, der let kunne undersøges under et mikroskop. Forskerne studerede først dannelsen af ​​hvirvler i vand, ved hjælp af sporstofpartikler, som gør det muligt for forskere at spore en væskes bevægelse. Næste, de introducerede små mængder polymerer i vandet. De fandt ud af, at tilsætning af kun én del pr. million polymer hjalp væsken til at flyde mere jævnt.

OIST-forskerne samarbejdede med kolleger fra University of Liverpool, som udførte computersimuleringer af eksperimenterne for at hjælpe med at forstå, hvordan polymererne – elastiske molekyler, der opfører sig lidt som mikroskopiske fjedre – påvirker flowet.

"Ved hjælp af simuleringerne, vi var i stand til tydeligt at vise, hvor polymererne strækker sig i meget specifikke områder af strømmen, og hvordan dette virker for at undertrykke dannelsen og væksten af ​​hvirvelen, " sagde Dr. Simon Haward, tilsvarende forfatter på papiret og gruppeleder i Micro/Bio/Nanofluidics Unit på OIST.

Deres arbejde har adskillige anvendelser i både små og store skalaer. For eksempel, små mængder polymerer bruges til at forbedre blodcirkulationen hos patienter med svækket hjerte. Disse molekyler kan også bruges til at undertrykke jetfragmentering - når der dannes mange små dråber væske - hvilket hjælper med at forbedre opløsningen af ​​inkjetprintere. Polymerer hjælper også med at undertrykke hvirvler i storskala infrastruktur, som olierørledninger og kloakker.

"Vores opdagelse har også konsekvenser for optimering af flows i lab-on-a-chip enheder, der udvikles til mikrofluidisk diagnostik og biomedicinske applikationer, " sagde Amy Shen, professor ved Micro/Bio/Nanofluidics Unit ved OIST og medforfatter til papiret.

Forskerne sagde, at de håber at bygge videre på undersøgelsen i fremtidig forskning.

"Det er ret spændende at afsløre effekten af ​​polymeren så tydeligt for første gang, " sagde Haward.