Vloeistofstralen zijn overal om ons heen:van inkjetprinten, naar de "Old Faithful" geiser in Yellowstone National Park, tot kosmologische jets van enkele duizenden lichtjaren lang.

Een onderzoeker van de Northwestern University met medewerkers van de Universiteit van Cambridge, Oxford universiteit, en Centro Nacional de Biotecnología hebben onlangs de klassieke Landau-Squire-theorie geverifieerd in de kleinste ondergedompelde jet. De diameter van hun jets lag in het bereik van 20 tot 150 nanometer, dat is de lengte van slechts een paar honderd watermoleculen op een rij.

"De stroomsnelheid van deze nanojet ligt in het bereik van tientallen picoliters per seconde, " zei Sandip Ghosal, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en (met dank aan) technische wetenschappen en toegepaste wiskunde aan de Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science. "Op dit tempo, als je was begonnen met het vullen van een frisdrankfles van twee liter op het moment dat de eerste piramide in Egypte werd gebouwd, de fles zou nu ongeveer halfvol zijn."

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, "Een Landau-Squire Nanojet, " werd op 14 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

De nanojet is ontworpen rond een glazen "nano capillair, " die de onderzoekers fabriceerden door een gewoon glazen capillair - een holle glazen buis - te verwarmen met een laser en er voorzichtig aan te trekken totdat het brak, een fijne punt maken. De onderzoekers legden een elektrische spanning over het capillair, die werd ondergedompeld in een zoutoplossing om een ​​elektro-osmotische stroom te creëren die vervolgens als een straal tevoorschijn kwam.

Om de jetstream te meten, de onderzoekers bouwden een kleine anemometer - een windmolenachtig apparaat dat wordt gebruikt voor het meten van de windsnelheid - van een polystyreenkraal van minder dan een vijftigste van de breedte van een mensenhaar. De kraal werd op zijn plaats gehouden door een "optische val, " een fijn gefocuste laserstraal die diende als een spil voor de kleine anemometer. Toen de kraal voor de jet werd geplaatst, het draaide rond, en een videocamera pikte kleine lichtschommelingen op van een kuiltje in de kraal.

Dankzij de nieuwe anemometrietechniek konden de onderzoekers de vorticiteits- en snelheidsvelden van de nanojet in kaart brengen en vergelijken met die voorspeld door de klassieke Landau-Squire-oplossing van de Navier-Stokes-vergelijkingen, de 200 jaar oude vergelijkingen die de basis vormen van de klassieke natuurkunde. Hun waarnemingen bleken opmerkelijk overeen te komen met de theorie.

"De Navier-Stokes-vergelijkingen en alles wat ervan is afgeleid, zullen naar verwachting mis gaan als we moleculaire schalen naderen, maar niemand weet hoe ver je naar beneden kunt duwen voordat het breekt, " zei Ghosal. "We ontdekten dat het heel mooi werkt tot op tientallen nanometers."

De onderzoekers observeerden ook een fenomeen dat ze stroomrectificatie noemen:een asymmetrie in de stroomsnelheid met betrekking tot spanningsomkering. Ze ontdekten dat wanneer de spanning wordt omgekeerd, het capillair zuigt vloeistof aan zoals verwacht, maar tegen een veel lager tarief. Het capillair gedraagt ​​zich dus als een halfgeleiderdiode - een elektronische "klep" die de stroom in slechts één richting laat stromen - maar met vloeistof die stroomt in plaats van elektronen.

De nanojet heeft een aantal potentiële nieuwe toepassingen. Een mogelijk gebruik is als een ultra-low-volume injector voor het overbrengen van biomoleculen in cellen of blaasjes, een proces dat wordt gebruikt in recombinant-DNA-technologieën die belangrijk zijn bij de productie van humane insuline en ziekteresistente gewassen. Andere mogelijkheden zijn onder meer gebruik als een "stroomgelijkrichter" in microfluïdische logische circuits, het functionele equivalent van halfgeleiderdiodes in micro-elektronica, en ook in toepassingen waarbij patronen op nanoschaal en micromanipulatie betrokken zijn.