Hunaja virtaa vettä nopeammin erikoispäällystetyissä putkissa
Korkean viskositeetin nesteet, kuten hunaja ja glyseroli, ovat paksuja ja sitkaita, ja ne virtaavat yleensä hitaammin kuin veden kaltaiset matalan viskositeetin nesteet.
Se miten nopeasti neste virtaa putkessa, on olennainen tekijä monilla tieteen ja tekniikan alueilla öljynjalostuksesta sydämen toimintaan ja lääkkeiden valmistukseen. Virtausnopeutta voidaan kasvattaa lisäämällä nesteen painetta, mutta vain tiettyyn rajaan asti – muuten vaarana on putken murtuminen.
Aalto-yliopiston professori Robin Rasin vetämä tutkimusryhmä halusi kokeilla, voidaanko virtausnopeuteen vaikuttaa äärimmäisen vettähylkivän eli superhydrofobisen pinnoitteen avulla. Tutkijat päällystivät kapeiden putkien sisäpuolet pinnoitteella ja huomasivat, että suljetuissa putkissa korkean viskositeetin nesteet virtasivat matalan viskositeetin nesteitä nopeammin. Mitä sitkaampaa neste oli, sitä enemmän päällyste lisäsi sen vauhtia. Tutkimusartikkeli julkaistiin 16. lokakuuta Science Advances -پä.
It’s widely known that thick, viscous liquids – like honey – flow more slowly than low-viscosity liquids, like water. Researchers were surprised to find this behaviour flipped on its head when the liquids flow through chemically coated capillaries. In fact, through these specially coated tubes, liquids a thousand times more viscous flow ten times faster.
The speed at which different fluids flow through pipes is important for a large range of applications: from industrial processes such as oil refineries to biological systems like the human heart. Traditionally, if you need to make a fluid flow faster through a pipe, you increase the pressure on it. This technique, however, has its limits; there is only so much pressure you can put into a pipe before you run the risk of bursting it. This is especially true for thin and narrow pipes, like the ones used in microfluidics for producing medicine and other complex chemicals, so researchers are investigating if they can increase the speed at which liquids flow through narrow tubes without having to increase the pressure.
published on 16 October in the journal Science Advances, researchers found that by coating the inside of the pipes with compounds that repel liquids, they could make viscous liquids flow faster than those with low viscosity.
‘A superhydrophobic surface consists of tiny bumps that traps air within the coating, so that a liquid droplet that rests on the surface sits as if on a cushion of air,’ explains Professor Robin Ras, whoseresearch team at 911’s Department of Applied Physics has made a range of interesting discoveries in the area of extremely water repellent coatings, including recent papers in Science and Nature.
Superhydrophobic coatings themselves don’t speed up the flow of the more viscous liquids. If you place a drop of honey and a drop of water on a superhydrophobic coated surface and then tilt the surface so gravity makes the droplets move, the low-viscosity water will flow down faster.
Ilmapatjan päällä
Superhydrofobiset pinnoitteet ovat Robin Rasin ja hänen ryhmänsä keskeinen tutkimusaihe, jonka tuloksia on julkaistu myös tuoreissa Science- ja Nature-پ徱ä.
”Superhydrofobinen pinta koostuu pienen pienistä ilmatäytteisistä huokosista. Näin pinnalle osuvat nestepisarat liukuvat ikään kuin ilmapatjan päällä”, Ras sanoo.
Superhydrofobiset pinnoitteet eivät kuitenkaan itsessään nopeuta korkeaviskoosisten nesteiden virtausta. Jos superhydrofobista avointa pintaa kallistetaan, vesipisara virtaa pienemmän viskositeettinsa ansiosta hunajapisaraa nopeammin. Tilanne muuttuu, kun pisara suljetaan erittäin kapeaan putkeen, jolloin pisaran ulkopinnan ja putken sisäpinnan superhydrofobisen pinnoitteen väliin jää pieni ilmarako.
”Suljetuissa superhydrofobisissa putkissa pisaran ympärillä oleva ilmarako oli suurempi, kun nesteellä oli korkea viskositeetti. Suuremman ilmaraon ansiosta korkeaviskoosiset nesteet virtasivat putken läpi matalaviskoosisia nesteitä nopeammin silloin, kun nesteen liike johtui painovoimasta”, sanoo tutkijatohtori Maja Vuckovac.
Tutkijat kuvasivat paitsi nesteen nopeutta putkessa myös nesteen virtausta pisaran sisällä. Korkeaviskoosisten pisaroiden sisällä neste ei juurikaan liikkunut, kun taas matalaviskoosisissa pisaroissa neste liikkui nopeasti.
”Ratkaiseva havainto oli, että matalaviskoosiset nesteet tunkeutuivat hieman pisaraa ympäröivään ilmarakoon. Tämä kavensi ilmarakoa, minkä vuoksi matalaviskoosisen pisaran alla oleva ilma ei voinut siirtyä pois pisaran tieltä yhtä nopeasti kuin ilmaraon ollessa suurempi eli silloin, kun pisaran viskositeetti oli korkeampi. Kun ilma virtasi matalaviskoosisten pisaroiden ohi hitaammin, ne eivät voineet liikkua putkessa yhtä nopeasti kuin korkeaviskoosiset pisarat”, sanoo tutkijatohtori Matilda Backholm.
Tutkijat loivat myös nestevirtojen mittausta varten mallin, jonka avulla he pystyivät ennustamaan, miten pisarat virtaavat eri superhydrofobisilla pinnoitteilla pinnoitetuissa putkissa. Lisätutkimus voi auttaa kehittämään hyödyllisiä mikrofluidistiikan sovelluksia esimerkiksi lääkkeiden ja kemikaalien valmistukseen.
Tutkimuksessa on hyödynnetty kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, joka tarjoaa korkeatasoisen kokeellisen ympäristön ja laitteistot nanotieteiten ja -teknologioiden, sekä kvanttiteknologioiden tutkimukseen. OtaNano operoinnista vastaavat Aalto-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT. Infrastruktuuri on sekä akateemisten että kaupallisten käyttäjien hyödynnettävissä kansainvälisesti. Lue lisää englanninkieliseltä sivustolta.
äپٴDz:
Artikkeli: Viscosity-Enhanced Droplet Motion in Sealed Superhydrophobic Capillaries
Maja Vuckovac, Matilda Backholm, Jaakko V. I. Timonen, Robin H. A. Ras, Science Advances, DOI:
Robin Ras
Professori
Aalto-yliopisto
Kielet: englanti, hollanti
Maja Vuckovac
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
maja.vuckovac@aalto.fi
Kielet: englanti, serbia
Matilda Backholm
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
matilda.backholm@aalto.fi
Kielet: englanti, ruotsi
Apulaisprofessori
Aalto-yliopisto
p. 044 230 5820
Kielet: englanti, suomi
Lue lisää uutisia
Edullinen ratkaisu 6G-katveeseen: tutkijoiden kehittämät metakidepaneelit ohjaavat langattomia signaaleja myös kulman taakse
Tutkijoiden kehittämät paneelit ohjaavat radioaaltoja fyysisten esteiden ympäri – ilman ylimääräistä elektroniikkaa, virtalähteitä tai aktiivista viritystä.
St1 lahjoittaa 3 miljoonaa euroa Aalto-yliopistolle – tavoitteena kestävän energiasiirtymän vauhdittaminen
Lahjoituksella tuetaan kahden uuden professuurin perustamista: uudet energiateknologiat ja -innovaatiot sekä energiastrategia.
Fortum lahjoittaa Aalto-yliopistolle 1,5 miljoonaa euroa
Lahjoitus kohdistuu professuuriin, joka tulee osaksi Aalto-yliopiston uutta Energiasiirtymän osaamiskeskusta.