Hvordan strækbare væsker reagerer på bølgede overflader

Viskoelastiske væsker er overalt, uanset om du løber gennem dine årer eller gennem 1, 300 kilometer rør i Trans-Alaska Pipeline. I modsætning til newtonske væsker, såsom olie eller vand, viskoelastiske væsker strækker sig som en klæbrig spytstreng. Kæder af molekyler inde i væskerne giver dem denne superkraft, og videnskabsmænd arbejder stadig på at forstå, hvordan det påvirker deres adfærd. Forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har bragt os et skridt nærmere ved at demonstrere, hvordan viskoelastiske væsker flyder over bølgede overflader, og deres resultater er uventede.

"For mig var det ikke intuitivt, og jeg har arbejdet med disse væsker i næsten 20 år, " sagde Simon Haward, gruppeleder i Micro/Bio/Nanofluidics Unit og førsteforfatter af undersøgelsen. Papiret, udgivet i Fysik af væsker den 5. november, 2018, er den tredje i en række af tre undersøgelser, der sætter nye teorier om viskoelastiske væsker på prøve.

En fænomenal forsvindende handling

Når vandet strømmer gennem et glat rør, dens bevægelse er ensartet hele vejen igennem. Men når vand kommer i kontakt med en bølget overflade, det bryder som tidevandet over kysten. Vandet reagerer på hver top og lavpunkt i den forstyrrende bølge, kastet ind i spiral hvirvler kendt som hvirvler. Den roterende bevægelse, kendt som vorticity, er mest udtalt nær den bølgede væg og forsvinder i en beregnelig afstand væk.

Forskere har set dette scenarie udspille sig utallige gange i vand og andre newtonske væsker. Men før nu, analoge eksperimenter var aldrig blevet udført i viskoelastiske væsker, som forventes at opføre sig meget anderledes. OIST-forskere satte sig for at udfylde dette hul i litteraturen.

Nyligt teoretisk arbejde tyder på, at bølger sender viskoelastiske væsker, der spinder meget ligesom newtonske væsker, men med én nøgleforskel. Mens den hvirvlende bevægelse induceret i newtonske væsker henfalder med afstanden, hvirvler i viskoelastiske væsker kan faktisk blive forstærket i en bestemt afstand væk. Denne region med forstærket handling er blevet døbt det "kritiske lag" i teorien, men var ikke blevet observeret eksperimentelt.

"Placeringen af ​​dette kritiske lag afhænger af væskens elasticitet, " sagde Haward. Jo flere molekylekæder, eller polymerer, en væske indeholder, han sagde, jo mere elastisk bliver den. Jo mere elastisk væsken er, jo længere væk bevæger det kritiske lag sig fra den bølgede væg. Der kommer et tidspunkt, hvor væsken er så elastisk, og det kritiske lag så fjernt, at de spiralformede hvirvler nær væggen ikke længere påvirkes af det.

"Normalt, vi tror, ​​at hvis en væske er mere viskoelastisk, du vil se flere mærkelige effekter, " sagde Haward. "Men i dette tilfælde, når væsken er meget elastisk, den observerbare effekt forsvinder."

At udfylde kritiske huller i viden

I tidligere forskning, Micro/Bio/Nanofluidics Unit designede eksperimenter og specialiseret udstyr til at fange disse kritiske lag i aktion. Deres indsats resulterede i det første eksperimentelle bevis på fænomenet. Nu, forskerne har konstrueret et detaljeret diagram, der beskriver, hvordan det kritiske lag skifter, når kanalen udvides, bølgelængden forlænges, eller væskens strømningshastighed øges.

"Det var overraskende, fordi teorien virkede kontraintuitiv, men vores eksperimentelle resultater faldt ind i nøjagtig samme fasediagram som teorien forudsagde, " sagde Haward. "I bund og grund, vores eksperimenter bekræftede fuldt ud teorien."

Den omfattende forskning etablerer et stærkt udgangspunkt for fremtidige undersøgelser af viskoelastiske væsker. De grundlæggende egenskaber ved disse strækbare væsker har direkte implikationer i olieindustrien, medicin og bioteknologi, og være med til at forme verden omkring os. Med denne undersøgelse, videnskabsmænd kan nu begynde at indregne det kritiske lag i deres beregninger, som kan hjælpe med at forbedre applikationer eller finde nye veje for viskoelastiske væsker i deres forskning.