Wetenschap
Uitbreiding van de fundamentele principes van vloeistofbeweging
Van de regendruppels die door je raam rollen tot de vloeistof die door een COVID-sneltest stroomt:we kunnen geen dag voorbijgaan zonder de wereld van de vloeistofdynamica te observeren. De manier waarop vloeistoffen zich over en door oppervlakken verplaatsen is uiteraard een onderwerp waar veel onderzoek naar wordt gedaan, waarbij nieuwe ontdekkingen diepgaande gevolgen kunnen hebben op het gebied van energieconversietechnologie, koeling van elektronica, biosensoren en micro-/nanofabricages.
Met behulp van wiskundige modellen en experimenten hebben onderzoekers van de Faculteit Ingenieurswetenschappen van de Kyushu Universiteit een fundamenteel principe in de vloeistofdynamica verder uitgewerkt. Hun nieuwe bevindingen kunnen leiden tot efficiëntere productontwikkeling in veel op vloeistoffen gebaseerde industrieën, zoals de productie van hoogwaardige elektronica en laboratorium-op-een-chip-ziektediagnose.
"We leven in een altijd aanwezige wereld van vloeistof en stroming", legt assistent-professor Zhenying Wang uit, de eerste auteur van het onderzoek dat werd gepubliceerd in het Journal of Fluid Dynamics . "De afgelopen decennia hebben wetenschappers zich ingespannen om de ogenschijnlijk eenvoudige verschijnselen van vloeistofstroming en verspreiding wiskundig te beschrijven. De wet van Tanner beschrijft bijvoorbeeld hoe een druppel water zich in de loop van de tijd over een vast oppervlak verspreidt."
Deze vergelijkingen blijven echter onvolledig. Zelfs de klassieke wet van Tanner geldt alleen voor niet-vluchtige vloeistoffen zoals olie. De wet wordt minder betrouwbaar als het gaat om vluchtige vloeistoffen zoals water, alcohol en parfums, omdat de thermodynamica tussen de lucht, de vloeistof en het oppervlak een rol gaat spelen.
"Daarom hebben we de huidige wetten onderzocht in de hoop ons begrip van de dynamiek van vluchtige vloeistoffen te vergroten", vervolgt Wang. "We zijn begonnen met het wiskundig introduceren van parameters die weerspiegelen hoe vluchtige vloeistoffen reageren onder vergelijkbare omstandigheden toen de wet van Tanner werd afgeleid."
Het team voerde vervolgens – in samenwerking met Prashant Valluri van de Universiteit van Edinburgh en George Karapetsas van de Aristoteles Universiteit van Thessaloniki – een reeks experimenten uit waarbij de beweging en thermodynamica van vluchtige vloeistoffen zorgvuldig in beeld werden gebracht. Dankzij deze twee benaderingen konden de onderzoekers de gevestigde vloeistofdynamische principes opschalen en een diverser beeld schetsen van de fysica van vluchtige vloeistoffen die interageren met een oppervlak en de lucht.
"Het werk hier toont een breed scala aan echte gevallen en schetst een completer beeld van de vloeistofdynamica dat niet eenvoudigweg door de wet van Tanner kan worden verklaard", legt co-auteur van het artikel universitair hoofddocent Chihiro Inoue uit.
"Op een meer praktisch niveau zouden deze resultaten een belangrijke rol kunnen spelen in verschillende op vloeistoffen gebaseerde industrieën, bijvoorbeeld bij de koeling van elektronica en andere energieapparaten. De wereld van de vloeistofdynamica kan zeer nauwgezet zijn, maar zorgvuldig onderzoek ervan is vereist als we hopen de fundamentele stromen om ons heen te ontcijferen."