Degenen die olie en azijn hebben gemengd, hebben mogelijk onbewust een vreemd vloeistoffenomeen waargenomen dat instabiliteit van de vingers wordt genoemd. Een type van dit fenomeen, viskeuze vingerzetting (VF) genoemd, komt voor in poreuze media waar vloeistoffen met verschillende viscositeit samenkomen in vingervormige patronen als gevolg van toenemende verstoringen op het grensvlak.

Dergelijke instabiliteiten komen op een groot aantal verschillende gebieden voor. Voor toepassingen zoals het olieterugwinningsproces, of transport van verontreinigingen in de bodem, waar een vloeistof wordt geïnjecteerd om olie of verontreinigingen te verdringen, een uniform vloeistoffront is vereist om de hoogste volumetrische sweep en effectiviteit te bereiken, dergelijke instabiliteiten ongewenst maken.

Anderzijds, in microfluïdische apparaten zoals micromixers waar traagheidseffecten verwaarloosbaar zijn, VF is een effectief middel om de mengsnelheid van de vloeistoffen te verbeteren. Inzicht in verschillende aspecten van dit fenomeen, en de variabelen die zaken als instabiliteiten en snelheidsverdelingsdynamiek kunnen beheersen, kan mogelijk opties bieden om deze effecten effectiever te beheersen en te benutten.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Calgary werkt al lange tijd aan dit gebied en heeft onlangs grote vooruitgang geboekt bij het begrijpen van het fenomeen. Ze rapporteren hun bevindingen deze week in het tijdschrift Fysica van vloeistoffen .

"Mijn werk maakt deel uit van de puzzel in de evolutie op dit onderzoeksgebied, " zei Benham Dastvareh, een onderzoeker aan de Universiteit van Calgary. "Mijn onderzoek stelt me ​​in staat om mijn interesse in wiskunde te combineren, numerieke methoden en fundamenteel onderzoek naar transportverschijnselen, en in het bijzonder vloeistofmechanica."

Door gebruik te maken van een alomvattende aanpak, de Calgary-onderzoekers namen de niet-lineaire simulatie van de groeiende vingers en ook analytische stabiliteitsanalyse van nanovloeistofverplaatsing in een poreus medium op. Door de voordelen van deze methoden te combineren, ze kregen een beter en uitgebreider begrip van het fenomeen.

Resultaten toonden aan dat nanodeeltjes een anders stabiele stroom niet onstabiel kunnen maken, maar ze kunnen de instabiliteit van een oorspronkelijk onstabiele stroming versterken of verzwakken. Het verhogen van de afzettingssnelheid van de nanodeeltjes of hun diffusiesnelheid destabiliseerde de stroom. Verder, depositie van nanodeeltjes kan een aanvankelijke monotoon afnemende viscositeitsverdeling veranderen - een die puur afnemend of onveranderlijk is, naar een niet-monotone, en resulteert in de ontwikkeling van vortexdipolen.

"Analyse van vortexstructuren samen met de viscositeitsverdelingen stelden ons in staat om de waargenomen trends en de resulterende vingerconfiguraties te verklaren, zei Dastvareh. "Dit werk opent een poort voor verdere studies en vertegenwoordigt nieuwe bevindingen die kunnen worden gebruikt om de groeiende instabiliteiten in de aanwezigheid van nanovloeistoffen voor verschillende toepassingen te beheersen."

Dit werk kan ook potentiële toepassingen hebben voor medicijnafgifte, waar nanodeeltjes niet gemakkelijk door een poreus medium heen kunnen dringen. "Het is mogelijk dat viskeuze vingers kunnen worden gebruikt om een ​​kanaal in het menselijk weefsel te openen om deze nanodeeltjes over te brengen voor klinische behandeling, ' zei Dastvareh.