Gdzie miód płynie szybciej niż woda

| Astronomia/fizyka
Aalto University

Powszechnie znany jest fakt, że ciecze bardziej lepkie – jak miód – płyną wolniej niż ciecze o niskiej lepkości, jak woda. Dobrze pokazuje to opisany przez nas jeden z najdłużej trwających eksperymentów w historii nauki. Jakie więc było zdziwienie naukowców, gdy okazało się, że wewnątrz specjalnie pokrytych rurek ciecze tysiąckrotnie bardziej lepkie przemieszczają się 10-krotnie szybciej niż ciecze mniej lepkie.

Prędkość przemieszczania się cieczy przez różnego rodzaju tuby jest niezwykle ważna zarówno w rafineriach ropy naftowej jak i w ludzkim sercu. Jeśli chcemy zwiększyć przepływ płynu przez rurę o danym przekroju zwykle wystarczy zwiększyć ciśnienie.

Oczywiście taka technika ma swoje ograniczenia. Ciśnienia nie można zwiększać bez końca, gdyż doprowadzi to do uszkodzenia rury. Szczególnie jest to ważne w cienkich wąskich rurkach, wykorzystywanych podczas produkcji leków czy innych złożonych związków chemicznych. Dlatego też od dawna naukowcy szukają sposobów na przyspieszenie przepływu płynów w takich systemach bez zwiększania ciśnienia.

Z artykułu opublikowanego właśnie na łamach Science Advances dowiadujemy się, że pokrycie rurek środkiem hydrofobowym powoduje, że bardziej lepkie ciecze przemieszczają się szybciej niż mniej lepkie. Powierzchnia superhydrofobowa zawiera niewielkie guzki, pomiędzy którymi zostaje uwięzione powietrze. Znajdujące się tam krople płynu zachowują się jak na poduszce powietrznej, wyjaśnia profesor Robin Ras, który wraz ze swoim zespołem z Aalto University specjalizuje się w badaniach powierzchni hydrofobowych.

Sama powierzchnia superhydrofobowa nie powoduje, że bardziej lepki płyn przemieszcza się szybciej od mniej lepkiego. Gdy na takiej powierzchni umieścimy kroplę wody i kroplę miodu, to woda spłynie szybciej. Okazało się jednak, że gdy krople są umieszczone w bardzo wąskiej tubie, dochodzi do dramatycznych zmian. Odkryliśmy, że gdy kropla zostaje umieszczona w superhydrofobowym wąskim naczyniu, wokół bardziej lepkich cieczy tworzy się większa poduszka powietrzna. I to ta większa otoczka z powietrza umożliwia bardziej lepkim płynom na szybsze przemieszczenia się od tych mniej lepkich.

Szczegółowe badania pokazały, że krople gliceryny, która jest tysiąckrotnie bardziej lepka niż woda, przemieszczają się w takiej rurce 10-krotnie szybciej od wody. Naukowcy filmowali swoje krople, dzięki czemu mogli też analizować to, co dzieje się wewnątrz nich. Okazało się, że w lepkich cieczach płyn wewnątrz kropli niemal się nie poruszał, natomiast w cieczach o niskiej lepkości dochodziło do szybkiego mieszania się płynu.

Fińscy naukowcy opracowali też model dynamiki płynów, który pozwala przewidzieć, jak dany płyn będzie przemieszczał się w rurkach pokrytych różnymi superhydrofobowymi materiałami. Dalsze prace nad tym zagadnieniem pomogą w zaprojektowaniu doskonalszych systemów mikroprzepływowych, stosowanych m.in. podczas produkcji leków.

Autor:

Źródło: Aalto University

system mikroprzepływowy ciecz płyn szybkość przepływu