Когда простые или «ньютоновские» жидкости (например, вода) текут очень быстро или по изогнутой траектории, образуются закрученные вихри. Их формирование требует затрат энергии и увеличивает «силу сопротивления», так что для перемещения жидкости в желаемом направлении требуется больше энергии.
В крупной инфраструктуре, такой как нефтепроводы, дополнительная энергия, необходимая для перекачки жидкости, требует значительных финансовых затрат. Добавляя в масло небольшое количество полимеров, ученые могут уменьшить интенсивность вихрей; масло будет течь с той же скоростью, но с пониженным давлением нагнетания, что экономит энергию и деньги. Хотя об этом явлении известно с 1940-х годов, остается много вопросов о том, как именно работают полимеры.
Хотя вихри распространены в окружающей среде, оказалось, что их трудно уловить и изучить в лаборатории.
Однако недавно исследователи из Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) создали способ исследования этих небольших водоворотов с помощью устройства, специально разработанного для этой цели. Их недавняя статья, опубликованная в журнале Physical Review X, исследует образование вихрей в жидкостях с добавлением полимеров и без них.
«Мы можем наблюдать очень драматические эффекты даже при очень малых концентрациях добавленного полимера», – сказал Ноа Бурштейн, первый автор статьи и доктор философии.D. студент OIST.
Используя напечатанное на 3D-принтере «микрофлюидное» устройство – небольшой стеклянный блок, содержащий пару микроскопических пересекающихся каналов, не намного шире человеческого волоса – ученые смогли создать вихрь, который можно было легко исследовать под микроскопом. Исследователи сначала изучили образование вихрей в воде, используя частицы-индикаторы, которые позволяют ученым отслеживать движение жидкости. Затем они ввели в воду крошечные количества полимеров.
Они обнаружили, что добавление всего одной части на миллион полимера помогает жидкости течь более плавно.
Исследователи OIST сотрудничали с коллегами из Ливерпульского университета, которые провели компьютерное моделирование экспериментов, чтобы помочь понять, как полимеры – эластичные молекулы, которые ведут себя как микроскопические пружины – влияют на поток.
«С помощью моделирования мы смогли четко показать, где полимеры растягиваются в очень определенных областях потока, и как это действует, чтобы подавить образование и рост вихря», – сказал д-р. Саймон Хавард, автор статьи и руководитель группы Micro / Bio / Nanofluidics Unit в OIST.
Их работа имеет множество приложений как в малых, так и в больших масштабах. Например, небольшое количество полимеров используется для улучшения кровообращения у пациентов с ослабленным сердцем. Эти молекулы также можно использовать для подавления фрагментации струи, когда образуется много маленьких капелек жидкости, что помогает улучшить разрешение струйных принтеров.
Полимеры также помогают подавлять вихри в крупномасштабной инфраструктуре, такой как нефтепроводы и канализационные трубы.
«Наше открытие также имеет значение для оптимизации потоков в устройствах« лаборатория на кристалле », разрабатываемых для микрожидкостных диагностических и биомедицинских приложений», – сказала Эми Шен, профессор отдела микро / био / нанофлюидики в OIST и соавтор статьи.
Ученые заявили, что надеются развить результаты исследования в будущих исследованиях.
«Впервые продемонстрировать эффект полимера так ясно», – сказал Хавард.