Visco-elastische vloeistoffen zijn overal, of het nu door je aderen racet of door 1, 300 kilometer leiding in de Trans-Alaska Pijpleiding. In tegenstelling tot Newtoniaanse vloeistoffen, zoals olie of water, visco-elastische vloeistoffen strekken zich uit als een kleverige speekselstreng. Ketens van moleculen in de vloeistoffen geven hen deze superkracht, en wetenschappers zijn nog steeds bezig om te begrijpen hoe het hun gedrag beïnvloedt. Onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben ons een stap dichterbij gebracht door aan te tonen hoe visco-elastische vloeistoffen over golvende oppervlakken stromen, en hun resultaten zijn onverwacht.

"Voor mij was het niet intuïtief, en ik heb bijna 20 jaar met deze vloeistoffen gewerkt, " zei Simon Haward, groepsleider in de Micro/Bio/Nanofluïdische Unit en eerste auteur van de studie. De krant, gepubliceerd in Fysica van vloeistoffen op 5 november, 2018, is de derde in een reeks van drie onderzoeken die nieuwe theorieën over visco-elastische vloeistoffen op de proef stellen.

Een fenomenale verdwijnende act

Wanneer water door een gladde buis stroomt, zijn beweging is overal uniform. Maar als water contact maakt met een golvend oppervlak, het breekt als het tij over de kust. Het water reageert op elke piek en elk dal van de verstorende golf, gegooid in spiraalvormige wervelingen die bekend staan ​​​​als vortices. De draaiende beweging, bekend als vorticiteit, is het meest uitgesproken in de buurt van de golvende wand en verdwijnt op een berekenbare afstand.

Wetenschappers zijn getuige geweest van dit scenario ontelbare keren in water en andere Newtoniaanse vloeistoffen. Maar voor nu, analoge experimenten waren nog nooit uitgevoerd in visco-elastische vloeistoffen, waarvan wordt voorspeld dat ze zich heel anders zullen gedragen. OIST-onderzoekers wilden die leemte in de literatuur opvullen.

Recent theoretisch werk suggereert dat golven visco-elastische vloeistoffen ronddraaien zoals Newtoniaanse vloeistoffen, maar met één belangrijk verschil. Terwijl de wervelende beweging geïnduceerd in Newtoniaanse vloeistoffen vervalt met de afstand, wervelingen in visco-elastische vloeistoffen kunnen op een bepaalde afstand zelfs worden versterkt. Dit gebied van versterkte actie wordt in theorie de "kritieke laag" genoemd, maar was niet experimenteel waargenomen.

"De locatie van deze kritische laag hangt af van de elasticiteit van de vloeistof, " zei Haward. Hoe meer molecuulketens, of polymeren, een vloeistof bevat, hij zei, hoe elastischer het wordt. Hoe elastischer de vloeistof, hoe verder weg de kritische laag van de golvende wand af beweegt. Er komt een moment dat de vloeistof zo elastisch is, en de kritische laag zo ver weg, dat de spiraalvormige draaikolken nabij de muur er niet langer door worden beïnvloed.

"Normaal gesproken, we denken dat als een vloeistof visco-elastischer is, je zult meer vreemde effecten zien, " zei Haward. "Maar in dit geval, wanneer de vloeistof zeer elastisch is, het waarneembare effect verdwijnt."

Kritische hiaten in kennis opvullen

In eerder onderzoek is de Micro/Bio/Nanofluidics Unit ontwierp experimenten en gespecialiseerde apparatuur om deze kritieke lagen in actie te vangen. Hun inspanningen resulteerden in het eerste experimentele bewijs van het fenomeen. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben een gedetailleerde kaart gemaakt die beschrijft hoe de kritische laag verschuift wanneer het kanaal wordt verbreed, de golflengte wordt verlengd of de stroomsnelheid van de vloeistof wordt verhoogd.

"Het was verrassend omdat de theorie contra-intuïtief leek, maar onze experimentele resultaten vielen in exact hetzelfde fasediagram als de theorie voorspelde, "zei Haward. "Kortom, onze experimenten bevestigden de theorie volledig."

Het uitgebreide onderzoek vormt een sterk uitgangspunt voor toekomstige studies van visco-elastische vloeistoffen. De fundamentele eigenschappen van deze rekbare vloeistoffen hebben directe gevolgen voor de olie-industrie, geneeskunde en biotechnologie, en helpen de wereld om ons heen vorm te geven. Met deze studie, wetenschappers kunnen nu beginnen met het in rekening brengen van de kritische laag in hun berekeningen, die kunnen helpen bij het verbeteren van toepassingen of het vinden van nieuwe wegen voor visco-elastische vloeistoffen in hun onderzoek.