Of het nu olie is die door pijpleidingen stroomt of bloed dat door slagaders circuleert, hoe vloeistoffen door buizen stromen is misschien wel het meest fundamentele probleem in de hydrodynamica. De uitdaging is om de transportefficiëntie te maximaliseren door het energieverlies door wrijving tussen de bewegende vloeistof en de stationaire buisoppervlakken te minimaliseren. Niet intuïtief, het toevoegen van een kleine hoeveelheid grote, langzaam bewegende polymeren naar de vloeistof, waardoor een "complexe vloeistof, " leidt tot snellere, efficiënter vervoer. Er werd gespeculeerd dat dit fenomeen voortkwam uit de vorming van een dunne laag rond de binnenwand van de buis, bekend als uitputtingslaag of gespleten laag, waarin de polymeerconcentratie significant lager was dan in de bulkoplossing. Echter, gezien de inherente dunheid van deze laag, die slechts enkele nanometers dik is, in de volgorde van de polymeergrootte, directe experimentele observatie was moeilijk, en dus was de vooruitgang in het veld sterk afhankelijk van bulkmetingen en computersimulaties.

Onderzoekers van het Centrum voor Zachte en Levende Materie, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea), maakte een aanzienlijke vooruitgang in het veld door met succes de uitputtingslaag in beeld te brengen in polymeeroplossingen die door microkanalen stromen. hun studie, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , vertrouwden op de ontwikkeling van een nieuwe superresolutiemicroscopietechniek waarmee de onderzoekers deze laag konden zien met een ongekende ruimtelijke resolutie.

De eerste waarneming van dit fenomeen werd bijna een eeuw geleden gedaan. Experimentele studies met polymeeroplossingen met een hoog molecuulgewicht brachten een raadselachtige waarneming aan het licht:er was een duidelijke discrepantie tussen de gemeten viscositeit van de polymeeroplossing en de snelheid waarmee deze door een nauwe buis stroomde. De polymeeroplossing zou altijd sneller stromen dan verwacht. Verder, hoe smaller de buis, hoe groter deze discrepantie. Dit leidde tot een interesse die tot op de dag van vandaag voortduurt.

"De dynamiek van de uitputtingslaag was een probleem dat we erg interessant vonden, maar het was een uitdaging om vooruitgang te boeken met de huidige experimentele technieken, " zegt John T. King, de corresponderende auteur van het onderzoek. "We wisten dat de eerste stap de ontwikkeling moest zijn van een techniek die nieuwe informatie zou kunnen opleveren."

Gebruikmakend van zijn expertise in superresolutiemicroscopie, Seongjun-park, de eerste auteur van de studie, ontwikkelde een nieuwe aanpassing van gestimuleerde emissiedepletie (STED) microscopie die voldoende ruimtelijke resolutie en contrastgevoeligheid heeft om uitputtingslagen direct te observeren. Tegelijkertijd, Anisha Shakya, de co-auteur van de studie, paste haar kennis van polymeerfysica toe om een ​​geschikt beeldvormingssysteem te optimaliseren. Het team besloot dat de beste aanpak zou zijn om de nieuw ontwikkelde STED-anisotropie-beeldvorming toe te passen op een oplossing van polymeer met een hoog molecuulgewicht, polystyreensulfonaat (PSS), stroomt door 30 m brede silica microfluïdische kanalen.

Het gedrag van PSS werd gevolgd met behulp van fluorescerende kleurstoffen. Tijdelijke interacties tussen de zijketens van PSS en de kleurstof vertragen de rotatiebeweging van het kleurstofmolecuul. Deze kleine veranderingen onthullen de PSS-positie en -concentratie met een ruimtelijke resolutie van 10s nanometer.

De onderzoekers bevestigden eerst de vorming van uitputtingslagen aan de wand en maten dat de afmetingen van de uitputtingslaag overeenkwamen met de PSS-grootte. Vervolgens zagen ze dat de dikte van de uitputtingslaag kleiner werd toen de oplossing begon te stromen. interessant, veranderingen in de dimensie van de uitputtingslaag beginnen pas na een kritische stroomsnelheid die overeenkomt met bekende veranderingen in de polymeerconformatie. Dit was de eerste directe experimentele bevestiging van dit fenomeen, die jaren geleden werd voorspeld op basis van moleculaire dynamica-simulaties.

Verrassend genoeg, ook werd waargenomen dat veranderingen in de samenstelling van de uitputtingslaag optreden bij onverwacht lage stroomsnelheden. Vooral, polymeersegmenten worden van de wand weggetrokken, bijna zuiver oplosmiddel achterlatend, zonder polymeren, dicht bij de muur. Dit kan worden toegeschreven aan hydrodynamische liftkrachten, zoals aerodynamische lift in vliegtuigen, die ontstaan ​​door asymmetrische stroming aan de wand. Hoewel hydrodynamische lift goed is gekarakteriseerd in computersimulaties, en waargenomen in macroscopische systemen, (bijvoorbeeld, botten vechten beter tegen deze lift dan andere dieren vanwege hun plattere vorm), directe experimentele waarnemingen op nanoscopische lengteschalen zijn ongrijpbaar gebleven.

Verwacht wordt dat deze veelbelovende aanpak nieuwe informatie kan opleveren over complexe vloeistoffen onder stroming in verschillende regimes, zoals turbulente stroming, zoals je ziet in snel stromende rivieren, of door nanofluïdische apparaten stromen.