Ускорение течения вязких жидкостей с помощью супергидрофобных покрытий Капли меда на гидрофобной поверхности. Предоставлено: Aalto University

«Было обнаружено, что, когда капля ограничена герметичным супергидрофобным капилляром, воздушный зазор вокруг капли оказывается большим для более вязких жидкостей». «Этот больший воздушный зазор позволяет более вязким жидкостям перемещаться по трубке быстрее, чем менее вязким, когда они находятся под действием силы тяжести»

Вязкость η - это мера текучести жидкой или газообразной среды, характеризующая силу сопротивления ее течению, возникающую под действием внешнего воздействия или разности давления ΔP. Вязкость ограничивает поток жидкости и массоперенос на всех материальных масштабируемых уровнях. Она проявляет себя повсеместно, от промышленных процессов до биологических циркуляционных структур.

Часто возникает необходимость, чтобы жидкость текла быстрее без приложения к ней дополнительных усилий. В простой модели объемный расход Q жидкой или газообразной среды внутри трубы, будь то кровеносный сосуд или микрожидкостное устройство, пропорционален ΔP / η в ламинарном режиме.

Уменьшению расхода жидкости из-за ее повышенной вязкости можно противодействовать, увеличивая разность давления, но только в ограниченной степени, так как при этом увеличивается механическая нагрузку на стенку трубы. Таким образом, поиск способов ускорения течения вязких жидкостей без необходимости увеличения движущей силы представляет собой значительный технологический интерес.

Одним из широко изученных подходов для достижения таких целей является использование супергидрофобных покрытий. Супергидрофобное покрытие может создавать метастабильный воздушный слой, пластрон, между твердой стенкой и жидкой фазой (состояние Кэсси-Бакстера). Наличие пластрона уменьшает площадь контакта твердого тела с жидкостью, приводя к большим углам смачивания и уменьшению сил трения.

Физики из Финляндии были удивлены, обнаружив, что в узких трубках, покрытых гидрофобными составами, более вязкая жидкость течет быстрее, чем менее вязкая. Фактически в своей статье, опубликованной в журнале Science Advances [1], они сообщают, что глицерин, который в тысячу раз более вязкий, чем вода, в такой трубе течет в 10 раз быстрее.

К этому стоит отнестись более серьезно, чем к просто забавному физическому факту. Скорость, с которой текучие среды протекают по трубам, важна для множества областей использования.

«Супергидрофобное покрытие состоит из крошечных бугорков, которые задерживают воздух на его поверхности, так что капля жидкости, которая лежит на ней, находится, как будто на воздушной подушке».

«Сами по себе супергидрофобные покрытия не ускоряют поток более вязких жидкостей». Если поместить каплю меда и каплю воды на такую поверхность, а затем наклонить ее, чтобы сила тяжести сделала свое дело, вода с низкой вязкостью потечет быстрее.

Однако, когда капля попадает в одну из очень узких трубок, используемых в микрогидродинамике, все кардинально меняется. Супергидрофобное покрытие создает небольшой воздушный зазор между внутренней стенкой пробирки и внешней стороной капли.

«Было обнаружено, что, когда капля ограничена герметичным супергидрофобным капилляром, воздушный зазор вокруг капли оказывается большим для более вязких жидкостей». «Этот больший воздушный зазор позволяет более вязким жидкостям перемещаться по трубке быстрее, чем менее вязким, когда они находятся под действием силы тяжести».

Значимость открытия заключается в том, что менее вязкие жидкости оказались способны частично проникать в воздушную прослойку, окружающую капли, создавая более тонкий воздушный зазор вокруг них.

«Это означает, что воздух под каплей с низкой вязкостью в трубке не может уйти с ее пути так же быстро, как в случае с более вязкой каплей, имеющей более крупный воздушный зазор». «Из-за того, что мимо капель с низкой вязкостью может протиснуться меньше воздуха, они вынуждены двигаться по трубке с меньшей скоростью, чем их более вязкие аналоги».

В рамках своей работы исследователи разработали гидродинамическую модель, которую, по их словам, можно использовать для прогнозирования движения капель в трубках, покрытых различными супергидрофобными покрытиями. Они предполагают, что данное открытие предоставит дополнительные возможности для развития микрогидродинамики, технологий химической инженерии, используемых для точного контроля течения жидкостей в небольших количествах, а также в производстве сложных химикатов.

 

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1126/sciadv.aba5197

 

Источник: Cosmos

Комментарии

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Другие публикации по теме