Een draaikolk in de atmosfeer kan met genoeg kracht ronddraaien om een ​​tyfoon te creëren. Maar in de natuur vormen zich voortdurend meer subtiele draaikolken. Velen van hen zijn te klein om met het blote oog te zien.

Wanneer eenvoudig, of "Newtoniaanse" vloeistoffen (zoals water) stromen zeer snel of langs een gebogen pad, wervelende draaikolken ontstaan. Hun vorming kost energie en verhoogt de "sleepkracht, " zodat er meer energie nodig is om een ​​vloeistof in de gewenste richting te verplaatsen. In grote infrastructuur zoals oliepijpleidingen, de extra energie die nodig is om de vloeistof te pompen, brengt aanzienlijke financiële kosten met zich mee. Door kleine hoeveelheden polymeren aan de olie toe te voegen, wetenschappers kunnen de intensiteit van de wervels verminderen; de olie zal dan met dezelfde snelheid stromen maar met een verminderde pompdruk, energie en geld besparen. Hoewel dit fenomeen al sinds de jaren veertig bekend is, er blijven veel vragen over hoe de polymeren precies werken.

Hoewel alomtegenwoordig in het milieu, wervels zijn moeilijk te vangen en te bestuderen in het laboratorium gebleken. Onlangs, echter, Onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben een manier gevonden om deze kleinschalige draaikolken te onderzoeken met behulp van een speciaal hiervoor ontwikkeld apparaat. Gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X , hun recente artikel onderzoekt de vorming van wervelingen in vloeistoffen met en zonder toegevoegde polymeren.

"We kunnen zeer dramatische effecten zien, zelfs met zeer kleine concentraties toegevoegd polymeer, " zei Noa Burshtein, eerste auteur op het papier en een Ph.D. student aan OIST.

Met behulp van een 3D-geprint "microfluïdisch" apparaat - een klein blok glas met een paar microscopische kruisende kanalen die niet veel breder zijn dan een mensenhaar - konden de wetenschappers een draaikolk creëren die gemakkelijk onder een microscoop kon worden onderzocht. De onderzoekers bestudeerden eerst de vorming van wervelingen in water, met behulp van tracerdeeltjes, waarmee wetenschappers de beweging van een vloeistof kunnen volgen. Volgende, ze brachten kleine hoeveelheden polymeren in het water. Ze ontdekten dat de toevoeging van slechts één deel per miljoen polymeer de vloeistof hielp om soepeler te stromen.

De OIST-onderzoekers werkten samen met collega's van de Universiteit van Liverpool, die computersimulaties van de experimenten uitvoerde om te helpen begrijpen hoe de polymeren - elastische moleculen die zich een beetje als microscopisch kleine veren gedragen - de stroming beïnvloeden.

"Met behulp van de simulaties we konden duidelijk laten zien waar de polymeren zich uitstrekken in zeer specifieke gebieden van de stroming, en hoe dit werkt om de vorming en groei van de vortex te onderdrukken, " zei dr. Simon Haward, corresponderende auteur op het papier en groepsleider in de Micro/Bio/Nanofluidics Unit bij OIST.

Hun werk kent tal van toepassingen op zowel kleine als grote schaal. Bijvoorbeeld, kleine hoeveelheden polymeren worden gebruikt om de bloedcirculatie te verbeteren bij patiënten met een verzwakt hart. Deze moleculen kunnen ook worden gebruikt om jetfragmentatie te onderdrukken - wanneer zich veel kleine vloeistofdruppels vormen - wat de resolutie van inkjetprinters helpt verbeteren. Polymeren helpen ook om wervelingen in grootschalige infrastructuur te onderdrukken, zoals oliepijpleidingen en rioleringen.

"Onze ontdekking heeft ook implicaties voor het optimaliseren van stromen in lab-on-a-chip-apparaten die worden ontwikkeld voor microfluïdische diagnostische en biomedische toepassingen, " zei Amy Shen, professor van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit bij OIST en co-auteur van het artikel.

De wetenschappers zeiden dat ze hopen voort te bouwen op de studie in toekomstig onderzoek.

"Het is best spannend om het effect van het polymeer voor de eerste keer zo duidelijk te onthullen, ' zei Haward.