Glidlagsdynamik afslører, hvorfor nogle væsker flyder hurtigere end forventet

Uanset om det er olie, der strømmer gennem rørledninger eller blod, der cirkulerer gennem arterier, hvordan væsker strømmer gennem rør er måske det mest fundamentale problem inden for hydrodynamik. Udfordringen er at maksimere transporteffektiviteten ved at minimere tabet af energi til friktion mellem den bevægelige væske og de stationære røroverflader. Modsat, tilføjer en lille mængde store, langsomt bevægende polymerer til væsken, danner således en "kompleks væske, "fører til hurtigere, mere effektiv transport. Dette fænomen blev spekuleret i at opstå fra dannelsen af ​​tyndt lag omkring rørets indre væg, kendt som udtømningslag eller delt lag, hvori polymerkoncentrationen var signifikant lavere end i bulkopløsningen. Imidlertid, i betragtning af, at dette lag er iboende tyndt, som kun er få nanometer tyk, på rækkefølgen af ​​polymerstørrelsen, direkte eksperimentel observation var vanskelig, og derfor var fremskridtene på området stærkt afhængige af bulkmålinger og computersimuleringer.

Forskere ved Center for bløde og levende ting, inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), gjort et betydeligt fremskridt på området ved med succes at afbilde nedbrydningslaget i polymeropløsninger, der strømmer gennem mikrokanaler. Deres undersøgelse, offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , stolede på udviklingen af ​​en ny mikroopløsning med superopløsning, der gjorde det muligt for forskerne at se dette lag med en hidtil uset rumlig opløsning.

Den første observation af dette fænomen blev foretaget for næsten et århundrede siden. Eksperimentelle undersøgelser af polymeropløsninger med høj molekylvægt afslørede en forvirrende observation:der var en tilsyneladende uoverensstemmelse mellem den målte viskositet af polymeropløsningen og den hastighed, hvormed den flyder gennem et smalt rør. Polymeropløsningen flyder altid hurtigere end forventet. Desuden, jo smallere røret, jo større er denne uoverensstemmelse. Dette udløste en interesse, der vedvarer den dag i dag.

"Udtyndingslagets dynamik var et problem, vi fandt meget interessant, men det var udfordrende at gøre fremskridt med nuværende eksperimentelle teknikker, "siger John T. King, den tilsvarende forfatter på undersøgelsen. "Vi vidste, at det første trin skulle være udviklingen af ​​en teknik, der kunne give ny information."

Ved hjælp af sin ekspertise inden for superopløselig mikroskopi, Seongjun Park, den første forfatter til undersøgelsen, udviklet en ny tilpasning af stimuleret emissionsudtømning (STED) mikroskopi, der har tilstrækkelig rumlig opløsning og kontrastfølsomhed til direkte at observere nedbrydningslag. På samme tid, Anisha Shakya, medforfatter af undersøgelsen, anvendte sin viden om polymerfysik til at optimere et passende billeddannelsessystem. Teamet besluttede, at den bedste tilgang ville være at anvende den nyudviklede STED-anisotropi-billeddannelse på en opløsning af højmolekylær polymer, polystyrensulfonat (PSS), strømmer gennem 30 μm brede silika mikrofluidkanaler.

PSS 'adfærd blev sporet ved hjælp af fluorescerende farvestoffer. Forbigående interaktioner mellem sidekæderne af PSS og farvestoffet forsinker rotationsbevægelsen af ​​farvestofmolekylet. Disse små ændringer afslører PSS -position og -koncentration med en rumlig opløsning på 10 sekunder nanometer.

Forskerne bekræftede først dannelsen af ​​udtyndingslag ved væggen og målte, at udtømningslagets dimensioner var i overensstemmelse med PSS -størrelsen. De observerede derefter, at tykkelsen af ​​udtømningslaget blev mindre, da opløsningen begyndte at flyde. Interessant nok, ændringer i udtømningslagets dimension begynder først efter en kritisk strømningshastighed, der svarer til kendte ændringer i polymerkonformationen. Dette var den første direkte eksperimentelle bekræftelse af dette fænomen, som blev forudsagt fra molekylære dynamiksimuleringer for år siden.

Overraskende, det blev også observeret, at ændringer i sammensætningen af ​​udtømningslag sker ved uventet lave strømningshastigheder. I særdeleshed, polymersegmenter trækkes væk fra væggen, efterlader næsten rent opløsningsmiddel, uden polymerer, tæt på væggen. Dette kan tilskrives hydrodynamiske løftekræfter, som aerodynamisk lift i fly, der opstår fra asymmetrisk flow ved væggen. Mens hydrodynamisk løft har været godt karakteriseret i computersimuleringer, og observeret i makroskopiske systemer, (for eksempel, skrubber bekæmper dette løft bedre end andre dyr på grund af deres fladere form), direkte eksperimentelle observationer på nanoskopiske længdeskalaer er forblevet undvigende.

Det forventes, at denne lovende tilgang kan give ny information om komplekse væsker under strømning i forskellige regimer, såsom turbulent flow, som det, der ses i hurtigt flydende floder, eller strømme gennem nanofluidiske enheder.