Et nyt twist til at bryde viskoelastiske væskebroer

Hvis du nogensinde har prøvet at løfte en pizzaskive dækket af varmt, smeltet ost, du har uden tvivl mødt den lange, osteagtige snore, der bygger bro mellem en pizzaskive fra den næste. Bliv ved med at løfte pizzaskiven, og disse ostebroer knækker til sidst, dækker pladen, bord (eller endda dit skød) i lang, tynde oste. Selvom dette kun er en mindre besvær med pizza, det er et langvarigt problem i industrien, hvor væsker med lignende egenskaber som smeltet ost - kaldet viskoelastiske væsker - skal dispenseres rent og hurtigt.

Nu, forskere har udviklet en ny teknik, der bruger rotation til at bryde disse væskebroer. Deres resultater, offentliggjort 11. juni 2021 i PNAS , kunne forbedre hastigheden og præcisionen af ​​dispensering af viskoelastiske væsker, i applikationer lige fra printkortproduktion og fødevareforarbejdning til levende vævsteknologi og 3D-print.

"Viskoelastiske væsker, som ketchup, fjollet kit og tandpasta, har meget mærkelige egenskaber - når de presses langsomt, de flyder som en væske, men ved højere hastigheder, de virker som et elastisk fast stof, " sagde medforfatter, San til Chan, der er ph.d. studerende og JSPS DC2 Fellow i Micro/Bio/Nanofluidics Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Disse unikke egenskaber gør dispensering af disse væsker ret vanskelig."

I øjeblikket, standardmetoden i industrien involverer at løfte dysen væk fra overfladen, hvorpå væsken er blevet aflejret. Selvom dette effektivt bryder broen, den trækker den aflejrede væske op i en lang, tynd top, kendt som en kapillærhale. Hvis væskebroen knækker flere steder, små dråber væske, kaldet satellitdråber, også form. Kapillærhaler og satellitdråber kan forurene produkter eller kortslutte elektroniske chips.

"Jo højere dysen er trukket tilbage, jo længere kapillærhalen er, så jo større chance for kontaminering, Chan forklarede. "Da dysen ikke kan løftes for højt, væskebroen er tykkere og tager længere tid at bryde, hvilket bremser hele dispenseringsprocessen."

For at overkomme disse udfordringer, Chan og hans kolleger udtænkte en simpel løsning:i stedet for at strække væskebroen, det kan blive destabiliseret gennem vridning.

I undersøgelsen, forskerholdet testede denne idé på viskoelastisk silikoneolie, hvilket er 60, 000 gange mere tyktflydende end vand. Forskerne placerede en dråbe silikoneolie mellem en øvre og nedre plade. Ved hjælp af højhastighedsbilleder, de fandt ud af, at når væskebroen blev snoet ved at dreje den øverste plade, det forårsagede en revne halvvejs mellem enderne af væskebroen. Revnen spredes derefter indad fra kanten mod midten, skære broen rent i to uden at danne kapillærhaler eller satellitdråber.

Vigtigt, denne proces tog omkring et sekund, sammenlignet med de ti sekunder, der typisk er nødvendige for at dispensere den samme væske ved hjælp af den konventionelle tilbagetrækningsmetode.

Til deres næste skridt, forskerne afslørede den underliggende mekanisme, der får væskebroen til at knække, når den placeres under vridning. De slog sig sammen med et forskningslaboratorium fra Eindhoven University of Technology, som simulerede, hvad Chan og hans kolleger havde observeret eksperimentelt. Simuleringerne gav konkret information om, hvordan væskebroen reagerede, validering af, hvad forskerne havde mistænkt:revnen var forårsaget af 'kantbrud'.

"Dette er især slående, da kantbrud er blevet karakteriseret som et virkelig uønsket fænomen, som videnskabsmænd forsøger at forhindre i at opstå, " sagde Dr. Simon Haward, hvem er gruppeleder for Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "Dette er første gang, at kantbrud har vist sig at have en gavnlig anvendelse."

I den næste fase af deres forskning, holdet planlægger at eksperimentere med forskellige viskoelastiske væsker for at bekræfte, at den samme effekt gør sig gældende. De planlægger også at øge hastigheden af ​​dispenseringsprocessen yderligere, potentielt ved at kombinere både rotation og tilbagetrækning af den øvre plade.

"For mange brancher, at skifte fra en dyse, der trækker sig tilbage til en, der drejer, er relativt let, men det har vidtrækkende konsekvenser, " sagde senior forfatter, Professor Amy Shen. "Hurtigere og mere præcis væskedispensering kan sænke energiforbruget, og færre forurenede produkter kan betyde, at der bliver brugt mindre råmateriale."