Als je ooit hebt geprobeerd een pizzapunt op te tillen dat bedekt is met heet, gesmolten kaas, je bent ongetwijfeld de lange, kaasachtige snaren die het ene pizzapunt van het andere overbruggen. Blijf de pizzapunt optillen en deze kaasbruggen breken uiteindelijk, de plaat bedekken, tafel (of zelfs je schoot) in lange, dunne slierten kaas. Hoewel dit slechts een klein ongemak is met pizza, het is een al lang bestaand probleem in de industrie, waar vloeistoffen met vergelijkbare eigenschappen als gesmolten kaas - ook wel visco-elastische vloeistoffen genoemd - schoon en snel moeten worden gedoseerd.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die rotatie gebruikt om deze vloeistofbruggen te breken. Hun bevindingen, gepubliceerd 11 juni 2021 in PNAS , zou de snelheid en precisie van het doseren van visco-elastische vloeistoffen kunnen verbeteren, in toepassingen variërend van de productie van printplaten en voedselverwerking tot live tissue engineering en 3D-printen.

"Visco-elastische vloeistoffen, zoals ketchup, gekke stopverf en tandpasta, hebben zeer vreemde eigenschappen - wanneer ze langzaam worden geperst, ze stromen als een vloeistof, maar met hogere snelheden, ze gedragen zich als een elastische vaste stof, " zei co-eerste auteur, San To Chan, wie is een Ph.D. student en JSPS DC2 Fellow in de Micro/Bio/Nanofluidics Unit aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Deze unieke eigenschappen maken het doseren van deze vloeistoffen behoorlijk moeilijk."

Momenteel, de standaardmethode in de industrie is het optillen van het mondstuk van het oppervlak waarop de vloeistof is afgezet. Hoewel dit effectief de brug breekt, het trekt de afgezette vloeistof omhoog in een lange, dunne piek, bekend als een capillaire staart. Als de vloeistofbrug op meerdere plaatsen breekt, kleine druppeltjes vloeistof, satellietdruppels genoemd, ook vormen. Capillaire staarten en satellietdruppels kunnen producten besmetten of elektronische chips kortsluiten.

"Hoe hoger het mondstuk wordt ingetrokken, hoe langer de capillaire staart, dus hoe groter de kans op besmetting, " legde Chan uit. "Omdat het mondstuk niet te hoog kan worden opgetild, de vloeibare brug is dikker en duurt langer om te breken, wat het hele uitgifteproces vertraagt."

Om deze uitdagingen te overwinnen, Chan en zijn collega's bedachten een eenvoudige oplossing:in plaats van de vloeistofbrug te rekken, het kan worden gedestabiliseerd door te draaien.

In de studie, het onderzoeksteam testte dit idee op visco-elastische siliconenolie, dat is 60, 000 keer viskeuzer dan water. De wetenschappers plaatsten een druppel siliconenolie tussen een boven- en onderplaat. Met behulp van high-speed beeldvorming, ze ontdekten dat wanneer de vloeistofbrug werd gedraaid door de bovenste plaat te draaien, het veroorzaakte een scheur halverwege tussen de uiteinden van de vloeistofbrug. De scheur verspreidde zich vervolgens naar binnen vanaf de rand naar het midden, de brug netjes in tweeën snijden zonder capillaire staarten of satellietdruppels te vormen.

belangrijk, dit proces duurde ongeveer een seconde, vergeleken met de tien seconden die doorgaans nodig zijn om dezelfde vloeistof af te geven met behulp van de conventionele terugtrekmethode.

Voor hun volgende stap, de wetenschappers ontdekten het onderliggende mechanisme dat ervoor zorgt dat de vloeistofbrug breekt wanneer deze onder torsie wordt geplaatst. Ze werkten samen met een onderzoekslab van de Technische Universiteit Eindhoven, die simuleerde wat Chan en zijn collega's experimenteel hadden waargenomen. De simulaties gaven concrete informatie over hoe de vloeistofbrug reageerde, bevestigen wat de wetenschappers vermoedden:de scheur werd veroorzaakt door 'randbreuk'.

"Dit is vooral opvallend omdat randbreuk is gekarakteriseerd als een echt ongewenst fenomeen dat wetenschappers proberen te voorkomen, " zei dr. Simon Haward, wie is de groepsleider voor Micro/Bio/Nanofluïdica Unit. "Dit is de eerste keer dat randbreuk een gunstige toepassing heeft gevonden."

In de volgende fase van hun onderzoek, het team is van plan om te experimenteren met verschillende visco-elastische vloeistoffen om te bevestigen dat hetzelfde effect van toepassing is. Ze zijn ook van plan om de snelheid van het uitgifteproces verder te verhogen, mogelijk door zowel het draaien als het intrekken van de bovenplaat te combineren.

"Voor veel industrieën wisselen van een mondstuk dat zich terugtrekt naar een mondstuk dat draait is relatief eenvoudig, maar het heeft verstrekkende gevolgen, " zei senior auteur, Professor Amy Shen. "Sneller en nauwkeuriger doseren van vloeistoffen kan het energieverbruik verlagen, en minder verontreinigde producten kunnen betekenen dat er minder grondstof wordt gebruikt."