Forbedring af målinger af overfladeviskositet af filamenter og membraner

Forskere ved Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) har udgivet en videnskabelig artikel, der lægger grundlaget for at udvikle en mere præcis metode til måling af overfladeviskositet i flydende filamenter og biologiske membraner med viskøse overflader. Denne udvikling kunne anvendes i fødevarer, farmaceutiske eller biomedicinske industrier.

Flydende filamenter kan findes i forskellige sammenhænge i vores hverdag, såsom en strøm af postevand, shower gel eller mælken vi putter i vores kaffe. På det biologiske plan, de er til stede i processer, der forekommer inde i organismer, "såsom ved strækning og opdeling af vesikler, i celledeling eller i de proteindækkede filamenter i celler, blandt andre. Ud over dette, de er afgørende i et væld af teknologier, hvor den præcise kontrol af dråbeproduktion er påkrævet, såsom i 3D-print og additiv fremstilling, for eksempel.

Disse flydende filamenter er i sagens natur ustabile på grund af deres overfladespænding, resulterer i en proces, hvor små forstyrrelser forstærkes, hvilket får dråberne til at fragmentere. Dette kan ses i spytfilamenter, for eksempel, der dannes på vores læber og til sidst ender med at blive udstødt i form af dråber under tale, eller i vandstrømmen i byger som "brækker" når den er meget smal og ender med at danne små dråber. "Dette skyldes, at kugler er den geometriske form med den mindste overflade for et fast givet volumen, så ved at vedtage en sfærisk form minimeres overfladeenergi, " forklarer Alejandro Martínez Calvo og Alejandro Sevilla Santiago fra UC3M's Fluid Mechanics Group.

I deres forskning, for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve tidsskrift, de har teoretisk og numerisk studeret et tilfælde, hvor filamentoverfladen er tyktflydende, som opstår, når overfladen er dækket af en koncentration af molekyler (normalt kaldet overfladeaktive stoffer). I nogle tilfælde, disse typer molekyler er i stand til at danne en kompleks struktur, der giver overfladen en vis modstand mod strømning, som viser sig gennem overfladeviskositet.

Målingen af ​​koefficienten for overfladeviskositet af flydende filamenter og biologiske membraner bestående af disse molekyler er en udfordring i øjeblikket, på grund af den fysisk-kemiske kompleksitet forbundet med hydrodynamisk kobling af filamentets overflade med dets indre. I deres arbejde, forskerne har opdaget en ny universel ramme, hvor overfladespændingen er i dynamisk ligevægt med overfladens viskøse kraft, resulterer i en eksponentiel udtynding af filamentradius, indtil den ender med at tage form af dråber af sfæriske vesikler, med et tidsforfald, der kun afhænger af overfladeegenskaberne, blandt hvilke er overfladeviskositeten.

Dette arbejde ville være et vigtigt skridt for udviklingen af ​​en ikke-påtrængende metode til måling af viskositetskoefficienter, som ville have en større nøjagtighed end de nuværende tilgængelige. Nuværende målemetoder gør brug af bevægelige mekaniske dele, der forvrænger grænsefladen, såsom kogler, plader, cylindre, eller ringe, der placeres på overfladen og flyttes rundt på en kontrolleret måde. Disse påtrængende metoder skaber variationer i molekylekoncentration, der giver anledning til overfladeelastiske kræfter, ud over deres egne overfladeviskosekræfter, der er beregnet til at blive målt. "I denne konfiguration har vi studeret, forvrængning af grænsefladen er ikke forårsaget udefra af systemet gennem mekaniske metoder, men opstår spontant. Dermed, måleteknikken, der kunne udvikles med vores idé, ville være ikke-påtrængende, da det ville være tilstrækkeligt at måle den hastighed, hvormed glødetråden forvrænges ved hjælp af fotografiske teknikker, " fastslår forskerne.