È ampiamente noto che spesso, i liquidi viscosi, come il miele, scorrono più lentamente dei liquidi a bassa viscosità, Come l'acqua. I ricercatori sono rimasti sorpresi di trovare questo comportamento capovolto quando i liquidi fluiscono attraverso capillari rivestiti chimicamente. Infatti, attraverso questi tubi appositamente rivestiti, liquidi mille volte più viscosi scorrono dieci volte più velocemente.

La velocità con cui i diversi fluidi scorrono attraverso i tubi è importante per una vasta gamma di applicazioni:dai processi industriali come le raffinerie di petrolio ai sistemi biologici come il cuore umano. Tradizionalmente, se è necessario far scorrere più velocemente un fluido attraverso un tubo, aumenti la pressione su di esso. Questa tecnica, però, ha i suoi limiti; c'è solo così tanta pressione che puoi mettere in un tubo prima di correre il rischio di scoppiarlo. Ciò è particolarmente vero per tubi sottili e stretti, come quelli utilizzati nella microfluidica per la produzione di medicinali e altri prodotti chimici complessi, quindi i ricercatori stanno studiando se possono aumentare la velocità con cui i liquidi scorrono attraverso tubi stretti senza dover aumentare la pressione.

Nel paper pubblicato il 16 ottobre sulla rivista Progressi scientifici , i ricercatori hanno scoperto che rivestendo l'interno dei tubi con composti che respingono i liquidi, potrebbero far fluire i liquidi viscosi più velocemente di quelli a bassa viscosità.

"Una superficie superidrofobica è costituita da minuscole protuberanze che intrappolano l'aria all'interno del rivestimento, in modo che una goccia di liquido che si posa sulla superficie si posa come su un cuscino d'aria, " spiega il professor Robin Ras, il cui team di ricerca presso il Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Aalto ha fatto una serie di scoperte interessanti nell'area dei rivestimenti estremamente idrorepellenti, compresi i documenti recenti in Scienza e Natura .

Gli stessi rivestimenti superidrofobici non accelerano il flusso dei liquidi più viscosi. Se metti una goccia di miele e una goccia d'acqua su una superficie rivestita superidrofobica e poi inclini la superficie in modo che la gravità faccia muovere le goccioline, l'acqua a bassa viscosità scorrerà più velocemente.

Ma quando una goccia è confinata in uno dei tubicini molto stretti usati nella microfluidica, le cose cambiano drasticamente. In questo sistema, il rivestimento superidrofobico sulle pareti del tubo crea un piccolo traferro tra la parete interna del tubo e l'esterno della gocciolina. "Quello che abbiamo scoperto è che quando una goccia è confinata in un capillare superidrofobico sigillato, il traferro intorno alla goccia è maggiore per liquidi più viscosi. Questo traferro più grande è ciò che ha permesso ai fluidi viscosi di muoversi attraverso il tubo più velocemente di quelli meno viscosi quando fluiscono a causa della gravità, " dice la dottoressa Maja Vuckovac, il primo autore del saggio.

La dimensione dell'effetto è abbastanza consistente. Goccioline di glicerolo, mille volte più viscoso dell'acqua, scorrono attraverso il tubo più di dieci volte più velocemente delle gocce d'acqua. I ricercatori hanno filmato le goccioline mentre si muovevano attraverso il tubo, tracciando non solo la velocità con cui il liquido si è mosso attraverso il tubo, ma anche come il liquido scorreva all'interno della gocciolina. Per liquidi viscosi, il liquido all'interno della gocciolina si muoveva a malapena, mentre nelle goccioline a viscosità inferiore è stato rilevato un movimento di miscelazione veloce.

"La scoperta cruciale è che i liquidi meno viscosi sono anche riusciti a penetrare un po' nel cuscino d'aria che circonda le goccioline, rendendo un traferro più sottile intorno a questi. Ciò significa che l'aria al di sotto di una goccia a bassa viscosità nel tubo non potrebbe spostarsi velocemente come per una goccia più viscosa con un traferro più spesso. Con meno aria che riesce a spremere oltre le goccioline a bassa viscosità, questi sono stati costretti a spostarsi lungo il tubo con una velocità inferiore rispetto alle loro controparti più viscose, " spiega la dottoressa Matilda Backholm, uno dei ricercatori del progetto.

Il team ha sviluppato un modello di fluidodinamica che può essere utilizzato per prevedere come si muoverebbero le goccioline nei tubi rivestiti con diversi rivestimenti superidrofobici. Sperano che un ulteriore lavoro su questi sistemi possa avere applicazioni significative per la microfluidica, un tipo di tecnica di ingegneria chimica utilizzata per controllare con precisione liquidi in piccole quantità e nella produzione di sostanze chimiche complesse come i medicinali. Essendo in grado di prevedere come i rivestimenti possono essere utilizzati per modificare il flusso del fluido, i rivestimenti possono essere utili per gli ingegneri che sviluppano nuovi sistemi di microfluidica.