Onderzoekers van de Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) hebben een wetenschappelijk artikel gepubliceerd dat de basis legt voor de ontwikkeling van een nauwkeurigere methode voor het meten van de oppervlakteviscositeit in vloeibare filamenten en biologische membranen met viskeuze oppervlakken. Deze ontwikkeling zou toegepast kunnen worden in de voeding, farmaceutische of biomedische industrie.

Vloeibare filamenten zijn te vinden in verschillende contexten in ons dagelijks leven, zoals een stroom kraanwater, douchegel of de melk die we in onze koffie doen. Op biologisch vlak is ze zijn aanwezig in processen die plaatsvinden in organismen, "zoals bij het uitrekken en uiteenvallen van blaasjes, bij celdeling of in de met eiwit bedekte filamenten in cellen, onder andere. Naast dit, ze zijn cruciaal in een groot aantal technologieën waar de precieze controle van de druppelproductie vereist is, zoals bij 3D-printen en de additive manufacturing, bijvoorbeeld.

Deze vloeibare filamenten zijn inherent onstabiel vanwege hun oppervlaktespanning, wat resulteert in een proces waarbij kleine verstoringen worden versterkt waardoor de druppels fragmenteren. Dit is te zien aan speekselfilamenten, bijvoorbeeld, die zich op onze lippen vormen en uiteindelijk worden uitgestoten in de vorm van druppeltjes tijdens het spreken, of in de waterstroom in douches die "breken" wanneer deze erg smal is en uiteindelijk kleine druppeltjes vormen. "Dit komt omdat bollen de geometrische vorm zijn met het kleinste oppervlak voor een vast gegeven volume, dus het aannemen van een bolvorm minimaliseert de oppervlakte-energie, " leggen Alejandro Martínez Calvo en Alejandro Sevilla Santiago uit van de Fluid Mechanics Group van UC3M.

In hun onderzoek hebben onlangs gepubliceerd in de Fysieke beoordelingsbrieven logboek, ze hebben theoretisch en numeriek een geval bestudeerd waarin het filamentoppervlak viskeus is, die optreedt wanneer het oppervlak wordt bedekt door een concentratie van moleculen (meestal oppervlakteactieve stoffen genoemd). In sommige gevallen, dit soort moleculen kunnen een complexe structuur vormen die het oppervlak enige weerstand geeft tegen stroming, die zich manifesteert door oppervlakteviscositeit.

Het meten van de oppervlakteviscositeitscoëfficiënt van vloeibare filamenten en biologische membranen bestaande uit deze moleculen is momenteel een uitdaging, vanwege de fysiochemische complexiteit die gepaard gaat met hydrodynamische koppeling van het oppervlak van de gloeidraad met het inwendige ervan. In hun werk, de wetenschappers hebben een nieuw universeel raamwerk ontdekt waar de oppervlaktespanning in dynamisch evenwicht is met de viskeuze oppervlaktekracht, wat resulteert in een exponentiële verdunning van de filamentstraal totdat deze de vorm aanneemt van druppels bolvormige blaasjes, met een tijdsverval dat alleen afhangt van de oppervlakte-eigenschappen, waaronder de oppervlakteviscositeit.

Dit werk zou een belangrijke stap zijn voor de ontwikkeling van een niet-intrusieve methode voor het meten van viscositeitscoëfficiënten die een grotere nauwkeurigheid zou hebben dan die welke momenteel beschikbaar zijn. Huidige meetmethoden maken gebruik van bewegende mechanische onderdelen die de interface vervormen, zoals kegels, platen, cilinders, of ringen die op het oppervlak worden geplaatst en gecontroleerd worden verplaatst. Deze opdringerige methoden creëren variaties in de concentratie van moleculen die aanleiding geven tot elastische oppervlaktekrachten, naast hun eigen oppervlakteviscosekrachten die bedoeld zijn om te meten. "In deze configuratie hebben we bestudeerd, de vervorming van de interface wordt niet door mechanische methoden van buitenaf veroorzaakt, maar treedt spontaan op. Dus, de meettechniek die met ons idee zou kunnen worden ontwikkeld, zou niet opdringerig zijn, aangezien het meten van de snelheid waarmee de gloeidraad wordt vervormd met behulp van fotografische technieken voldoende zou zijn, ", stellen de onderzoekers.