I specialcoatede rør, jo mere tyktflydende en væske er, jo hurtigere flyder det

Det er almindeligt kendt, at tyk, tyktflydende væsker - som honning - flyder langsommere end væsker med lav viskositet, som vand. Forskere var overraskede over at finde denne adfærd vendt på hovedet, når væskerne strømmer gennem kemisk belagte kapillærer. Faktisk, gennem disse specialcoatede rør, væsker tusind gange mere tyktflydende flyder ti gange hurtigere.

Den hastighed, hvormed forskellige væsker strømmer gennem rør, er vigtig for en lang række anvendelser:fra industrielle processer som olieraffinaderier til biologiske systemer som det menneskelige hjerte. Traditionelt set hvis du har brug for at få en væske til at strømme hurtigere gennem et rør, du øger trykket på den. Denne teknik, imidlertid, har sine grænser; der er kun så meget tryk, du kan lægge i et rør, før du risikerer at sprænge det. Dette gælder især for tynde og smalle rør, som dem, der bruges i mikrofluidik til fremstilling af medicin og andre komplekse kemikalier, så forskere undersøger, om de kan øge hastigheden, hvormed væsker strømmer gennem smalle rør uden at skulle øge trykket.

I papiret offentliggjort den 16. oktober i tidsskriftet Videnskab fremskridt , forskere fandt ud af, at ved at belægge indersiden af ​​rørene med forbindelser, der afviser væsker, de kunne få viskøse væsker til at flyde hurtigere end dem med lav viskositet.

"En superhydrofob overflade består af små bump, der fanger luft i belægningen, så en væskedråbe, der hviler på overfladen, sidder som på en luftpude, " forklarer professor Robin Ras, hvis forskerhold ved Aalto Universitetets Institut for Anvendt Fysik har gjort en række interessante opdagelser inden for ekstremt vandafvisende belægninger, herunder nyere artikler i Videnskab og Natur .

Superhydrofobe belægninger i sig selv fremskynder ikke strømmen af ​​de mere tyktflydende væsker. Hvis du placerer en dråbe honning og en dråbe vand på en superhydrofob belagt overflade og derefter vipper overfladen, så tyngdekraften får dråberne til at bevæge sig, det lavviskose vand vil strømme hurtigere ned.

Men når en dråbe er begrænset til et af de meget smalle rør, der bruges i mikrofluidik, tingene ændrer sig drastisk. I dette system, den superhydrofobe belægning på rørets vægge skaber en lille luftspalte mellem den indvendige væg af røret og ydersiden af ​​dråben. "Det, vi fandt, var, at når en dråbe er begrænset til en forseglet superhydrofob kapillær, luftspalten omkring dråben er større for mere tyktflydende væsker. Denne større luftspalte er det, der gjorde det muligt for de viskøse væsker at bevæge sig gennem røret hurtigere end de mindre viskøse, når de strømmer på grund af tyngdekraften, " siger Dr. Maja Vuckovac, den første forfatter til papiret.

Størrelsen af ​​effekten er ret betydelig. dråber af glycerol, tusind gange mere tyktflydende end vand, strømme gennem røret mere end ti gange hurtigere end vanddråber. Forskerne filmede dråberne, mens de bevægede sig gennem røret, sporer ikke kun hvor hurtigt væsken bevægede sig gennem røret, men også hvordan væsken flød inde i dråben. Til viskøse væsker, væsken inde i dråben bevægede sig næsten ikke rundt overhovedet, hvorimod en hurtig blandingsbevægelse blev detekteret i dråberne med lavere viskositet.

"Den afgørende opdagelse er, at de mindre tyktflydende væsker også formåede at trænge en smule ind i luftpuden omkring dråberne, hvilket giver en tyndere luftspalte omkring disse. Det betyder, at luften under en dråbe med lav viskositet i røret ikke kunne bevæge sig af vejen så hurtigt som for en mere tyktflydende dråbe med et tykkere luftgab. Med mindre luft, der formår at presse sig forbi de lavviskose dråber, disse blev tvunget til at bevæge sig ned ad røret med en langsommere hastighed end deres mere tyktflydende modstykker, " forklarer Dr. Matilda Backholm, en af ​​forskerne på projektet.

Holdet udviklede en væskedynamikmodel, der kan bruges til at forudsige, hvordan dråber ville bevæge sig i rør belagt med forskellige superhydrofobe belægninger. De håber, at yderligere arbejde med disse systemer kan have betydelige anvendelser for mikrofluidik, en type kemiteknisk teknik, der bruges til præcist at kontrollere væsker i små mængder og til fremstilling af komplekse kemikalier som medicin. Ved at være i stand til at forudsige, hvordan belægningerne kan bruges til at modificere væskestrømmen, belægningerne kan være nyttige for ingeniører, der udvikler nye mikrofluidiske systemer.