Het is algemeen bekend dat dikke, stroperige vloeistoffen, zoals honing, stromen langzamer dan vloeistoffen met een lage viscositeit, als water. Onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat dit gedrag op zijn kop werd gezet wanneer de vloeistoffen door chemisch gecoate haarvaten stromen. In feite, door deze speciaal gecoate buizen, vloeistoffen die duizend keer stroperiger zijn, stromen tien keer sneller.

De snelheid waarmee verschillende vloeistoffen door leidingen stromen is belangrijk voor een groot aantal toepassingen:van industriële processen zoals olieraffinaderijen tot biologische systemen zoals het menselijk hart. traditioneel, als u een vloeistof sneller door een leiding moet laten stromen, je verhoogt de druk erop. Deze techniek, echter, heeft zijn grenzen; er is maar zoveel druk die je in een leiding kunt zetten voordat je het risico loopt te barsten. Dit geldt met name voor dunne en smalle buizen, zoals degene die worden gebruikt in microfluïdica voor de productie van medicijnen en andere complexe chemicaliën, daarom onderzoeken onderzoekers of ze de snelheid waarmee vloeistoffen door nauwe buizen stromen kunnen verhogen zonder de druk te verhogen.

In de paper gepubliceerd op 16 oktober in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers ontdekten dat door de binnenkant van de leidingen te coaten met verbindingen die vloeistoffen afstoten, ze konden stroperige vloeistoffen sneller laten stromen dan die met een lage viscositeit.

"Een superhydrofoob oppervlak bestaat uit kleine bultjes die lucht in de coating opsluiten, zodat een vloeistofdruppel die op het oppervlak rust als op een luchtkussen zit, " legt professor Robin Ras uit, wiens onderzoeksteam van de afdeling Toegepaste Natuurkunde van Aalto University een reeks interessante ontdekkingen heeft gedaan op het gebied van extreem waterafstotende coatings, inclusief recente papers in Wetenschap en Natuur .

Superhydrofobe coatings zelf versnellen de stroom van de meer viskeuze vloeistoffen niet. Als je een druppel honing en een druppel water op een superhydrofoob gecoat oppervlak plaatst en het oppervlak kantelt zodat de zwaartekracht de druppels laat bewegen, het water met een lage viscositeit zal sneller naar beneden stromen.

Maar wanneer een druppel wordt beperkt tot een van de zeer smalle buisjes die in microfluïdica worden gebruikt, dingen veranderen drastisch. In dit systeem, de superhydrofobe coating op de wanden van de buis creëert een kleine luchtspleet tussen de binnenwand van de buis en de buitenkant van de druppel. "Wat we ontdekten was dat wanneer een druppel wordt opgesloten in een afgesloten superhydrofobe capillair, de luchtspleet rond de druppel is groter voor meer viskeuze vloeistoffen. Deze grotere luchtspleet zorgt ervoor dat de viskeuze vloeistoffen sneller door de buis kunnen bewegen dan de minder viskeuze vloeistoffen wanneer ze door de zwaartekracht stromen, " zegt Dr. Maja Vuckovac, de eerste auteur van het artikel.

De grootte van het effect is behoorlijk groot. Druppels glycerol, duizend keer stroperiger dan water, stromen meer dan tien keer sneller door de buis dan waterdruppels. De onderzoekers filmden de druppeltjes terwijl ze door de buis bewogen, niet alleen bijhouden hoe snel de vloeistof door de buis ging, maar ook hoe de vloeistof in de druppel stroomde. Voor stroperige vloeistoffen, de vloeistof in de druppel bewoog nauwelijks, terwijl een snelle mengbeweging werd gedetecteerd in de druppeltjes met een lagere viscositeit.

"De cruciale ontdekking is dat de minder viskeuze vloeistoffen er ook in slaagden een beetje in het luchtkussen rond de druppeltjes te dringen, waardoor er een dunnere luchtspleet omheen ontstaat. Dit betekent dat de lucht onder een druppel met een lage viscositeit in de buis niet zo snel uit de weg kon gaan als bij een meer viskeuze druppel met een dikkere luchtspleet. Doordat er minder lucht langs de druppeltjes met een lage viscositeit kan persen, deze werden gedwongen om met een lagere snelheid door de buis te bewegen dan hun meer viskeuze tegenhangers, " legt Dr. Matilda Backholm uit, een van de onderzoekers van het project.

Het team ontwikkelde een vloeistofdynamica-model dat kan worden gebruikt om te voorspellen hoe druppeltjes zouden bewegen in buizen die zijn gecoat met verschillende superhydrofobe coatings. Ze hopen dat verder werk aan deze systemen belangrijke toepassingen kan hebben voor microfluïdica, een soort chemische techniektechniek die wordt gebruikt om vloeistoffen in kleine hoeveelheden nauwkeurig te controleren en bij de productie van complexe chemicaliën zoals medicijnen. Door te kunnen voorspellen hoe de coatings kunnen worden gebruikt om de vloeistofstroom te wijzigen, de coatings kunnen nuttig zijn voor ingenieurs die nieuwe microfluïdische systemen ontwikkelen.