Che si tratti di petrolio che sgorga attraverso le condutture o di sangue che circola nelle arterie, il modo in cui i liquidi scorrono attraverso i tubi è forse il problema più fondamentale dell'idrodinamica. La sfida consiste nel massimizzare l'efficienza del trasporto riducendo al minimo la perdita di energia per attrito tra il liquido in movimento e le superfici fisse del tubo. Controintuitivamente, aggiungendo una piccola quantità di grande, polimeri a lento movimento verso il liquido, formando così un "liquido complesso, " porta a più veloce, trasporti più efficienti. Si è ipotizzato che questo fenomeno derivi dalla formazione di uno strato sottile attorno alla parete interna del tubo, noto come strato di esaurimento o strato diviso, in cui la concentrazione del polimero era significativamente inferiore rispetto alla soluzione bulk. Però, data l'intrinseca sottigliezza di questo strato, che ha uno spessore di pochi nanometri, nell'ordine della dimensione del polimero, l'osservazione sperimentale diretta era difficile, e quindi i progressi nel campo si sono basati in larga misura sulle misurazioni di massa e sulle simulazioni al computer.

Ricercatori del Center for Soft and Living Matter, all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud), ha compiuto un significativo passo avanti nel campo riuscendo a visualizzare lo strato di esaurimento nelle soluzioni polimeriche che fluiscono attraverso i microcanali. Il loro studio, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , si è basato sullo sviluppo di una nuova tecnica di microscopia a super risoluzione che ha permesso ai ricercatori di vedere questo strato con una risoluzione spaziale senza precedenti.

La prima osservazione di questo fenomeno è stata fatta quasi un secolo fa. Studi sperimentali su soluzioni polimeriche ad alto peso molecolare hanno rivelato un'osservazione sconcertante:c'era un'apparente discrepanza tra la viscosità misurata della soluzione polimerica e la velocità con cui scorreva attraverso un tubo stretto. La soluzione polimerica scorrerebbe sempre più velocemente del previsto. Per di più, più stretto è il tubo, maggiore è questa discrepanza. Ciò ha suscitato un interesse che persiste fino ad oggi.

"La dinamica del livello di esaurimento è stato un problema che abbiamo trovato molto interessante, ma è stato difficile fare progressi con le attuali tecniche sperimentali, "dice John T. King, l'autore corrispondente sullo studio. "Sapevamo che il primo passo doveva essere lo sviluppo di una tecnica in grado di fornire nuove informazioni".

Usando la sua esperienza nella microscopia a super risoluzione, Parco Seongjun, il primo autore dello studio, ha sviluppato un nuovo adattamento della microscopia a esaurimento delle emissioni stimolate (STED) che ha una risoluzione spaziale e una sensibilità al contrasto sufficienti per osservare direttamente gli strati di esaurimento. Allo stesso tempo, Anisha Shakya, il coautore dello studio, ha applicato la sua conoscenza della fisica dei polimeri per ottimizzare un sistema di imaging adatto. Il team ha deciso che l'approccio migliore sarebbe stato applicare l'imaging di anisotropia STED di nuova concezione a una soluzione di polimero ad alto peso molecolare, polistirene solfonato (PSS), che scorre attraverso canali microfluidici di silice larghi 30 μm.

Il comportamento di PSS è stato monitorato con l'aiuto di coloranti fluorescenti. Le interazioni transitorie tra le catene laterali di PSS e il colorante rallentano il movimento rotatorio della molecola del colorante. Questi piccoli cambiamenti rivelano la posizione e la concentrazione PSS con una risoluzione spaziale di 10s di nanometri.

I ricercatori hanno prima confermato la formazione di strati di esaurimento sulla parete e hanno misurato che le dimensioni dello strato di esaurimento erano coerenti con le dimensioni del PSS. Hanno quindi osservato che lo spessore dello strato di esaurimento si è ridotto quando la soluzione ha iniziato a fluire. interessante, le modifiche alla dimensione dello strato di esaurimento iniziano solo dopo una portata critica che corrisponde a cambiamenti noti nella conformazione del polimero. Questa è stata la prima conferma sperimentale diretta di questo fenomeno, che è stato previsto da simulazioni di dinamica molecolare anni fa.

Sorprendentemente, è stato inoltre osservato che le modifiche alla composizione dello strato di esaurimento si verificano a velocità di flusso inaspettatamente basse. In particolare, i segmenti di polimero vengono allontanati dalla parete, lasciando quasi puro solvente, senza polimeri, vicino al muro. Questo può essere attribuito alle forze di portanza idrodinamica, come la portanza aerodinamica degli aeroplani, che derivano dal flusso asimmetrico in parete. Mentre la portanza idrodinamica è stata ben caratterizzata nelle simulazioni al computer, e osservato in sistemi macroscopici, (ad esempio, le passere combattono contro questo sollevamento meglio di altri animali a causa della loro forma più piatta), osservazioni sperimentali dirette su scale di lunghezza nanoscopiche sono rimaste elusive.

Si prevede che questo approccio promettente possa fornire nuove informazioni su fluidi complessi sotto flusso in diversi regimi, come il flusso turbolento, come quello che si vede nei fiumi che scorrono veloci, o fluire attraverso dispositivi nanofluidici.