Un vortice nell'atmosfera può agitarsi con una potenza sufficiente a creare un tifone. Ma vortici più sottili si formano costantemente in natura. Molti di loro sono troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo.

Quando semplice, o fluidi "newtoniani" (come l'acqua) scorrono molto velocemente o lungo un percorso curvo, si sviluppano vortici vorticosi. La loro formazione costa energia e aumenta la "forza di trascinamento, " in modo che sia necessaria più energia per spostare un fluido nella direzione desiderata. Nelle grandi infrastrutture come gli oleodotti, l'apporto di energia extra richiesto per pompare il fluido ha un costo finanziario significativo. Aggiungendo piccole quantità di polimeri all'olio, gli scienziati possono ridurre l'intensità dei vortici; l'olio scorrerà quindi alla stessa velocità ma con una pressione di pompaggio ridotta, risparmiando energia e denaro. Sebbene questo fenomeno sia noto fin dagli anni '40, rimangono molte domande su come funzionano esattamente i polimeri.

Sebbene onnipresente nell'ambiente, i vortici si sono rivelati difficili da catturare e studiare in laboratorio. Recentemente, però, i ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno creato un modo per esaminare questi vortici su piccola scala con l'aiuto di un dispositivo sviluppato appositamente per questo scopo. Pubblicato sulla rivista Revisione fisica X , il loro recente articolo esamina la formazione di vortici nei fluidi con e senza polimeri aggiunti.

"Possiamo vedere effetti molto drammatici anche con concentrazioni molto piccole di polimero aggiunto, " ha detto Noa Burshtein, primo autore dell'articolo e un dottorato di ricerca. studente presso OIST.

Usando un dispositivo "microfluidico" stampato in 3D, un piccolo blocco di vetro contenente una coppia di microscopici canali incrociati non molto più larghi di un capello umano, gli scienziati sono stati in grado di creare un vortice che potrebbe essere facilmente esaminato al microscopio. I ricercatori hanno prima studiato la formazione di vortici nell'acqua, utilizzando particelle traccianti, che consentono agli scienziati di monitorare il movimento di un fluido. Prossimo, hanno introdotto piccole quantità di polimeri nell'acqua. Hanno scoperto che l'aggiunta di appena una parte per milione di polimero aiutava il fluido a fluire più agevolmente.

I ricercatori dell'OIST hanno collaborato con i colleghi dell'Università di Liverpool, che ha effettuato simulazioni al computer degli esperimenti per aiutare a capire come i polimeri, molecole elastiche che si comportano un po' come molle microscopiche, influenzano il flusso.

"Con l'aiuto delle simulazioni, siamo stati in grado di mostrare chiaramente dove i polimeri si allungano in regioni molto specifiche del flusso, e come questo agisce per sopprimere la formazione e la crescita del vortice, " ha detto il dottor Simon Haward, autore corrispondente dell'articolo e capogruppo dell'Unità di Micro/Bio/Nanofluidica dell'OIST.

Il loro lavoro ha numerose applicazioni sia su piccola che su larga scala. Ad esempio, piccole quantità di polimeri vengono utilizzate per migliorare la circolazione sanguigna nei pazienti con cuore indebolito. Queste molecole possono anche essere utilizzate per sopprimere la frammentazione del getto, ovvero molte piccole goccioline di forma fluida, che aiuta a migliorare la risoluzione delle stampanti a getto d'inchiostro. I polimeri aiutano anche a sopprimere i vortici nelle infrastrutture su larga scala, come oleodotti e fognature.

"La nostra scoperta ha anche implicazioni per l'ottimizzazione dei flussi nei dispositivi lab-on-a-chip in fase di sviluppo per applicazioni diagnostiche e biomediche microfluidica, "ha detto Amy Shen, professore dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidica dell'OIST e coautore del paper.

Gli scienziati hanno detto che sperano di sfruttare lo studio nella ricerca futura.

"È piuttosto eccitante rivelare l'effetto del polimero in modo così chiaro per la prima volta, " disse Haward.