Om du någonsin har försökt lyfta en pizzaskiva täckt av het, smält ost, du har utan tvekan stött på den långa, ostiga strängar som överbryggar en pizzaskiva från nästa. Fortsätt lyfta pizzaskivan så går dessa ostbryggor så småningom sönder, täcker plattan, bord (eller till och med ditt knä) i långa, tunna oststrängar. Även om detta bara är ett mindre besvär med pizza, det är ett långvarigt problem inom industrin, där vätskor med liknande egenskaper som smält ost – dubbade viskoelastiska vätskor – måste dispenseras rent och snabbt.

Nu, forskare har utvecklat en ny teknik som använder rotation för att bryta dessa vätskebryggor. Deras resultat, publicerad 11 juni 2021 i PNAS , kan förbättra hastigheten och precisionen för dispensering av viskoelastiska vätskor, i applikationer som sträcker sig från kretskortsproduktion och livsmedelsbearbetning till levande vävnadsteknik och 3D-utskrift.

"Viskoelastiska vätskor, som ketchup, dumt spackel och tandkräm, har mycket konstiga egenskaper - när de pressas långsamt, de flyter som en vätska, men i snabbare hastigheter, de fungerar som ett elastiskt fast material, " sa medförfattare, San till Chan, som är doktorand. student och JSPS DC2 Fellow i Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Dessa unika egenskaper gör det ganska svårt att dispensera dessa vätskor."

För närvarande, standardmetoden inom industrin innebär att munstycket lyfts bort från ytan där vätskan har avsatts. Även om detta effektivt bryter bron, den drar upp den avsatta vätskan till en lång, tunn topp, känd som en kapillär svans. Om vätskebryggan går sönder på flera ställen, små droppar vätska, kallas satellitdroppar, också form. Kapillärsvansar och satellitdroppar kan kontaminera produkter eller kortsluta elektroniska chips.

"Ju högre munstycket dras in, ju längre kapillärsvansen, så ju större chansen är för kontaminering, Chan förklarade. "Eftersom munstycket inte kan lyftas för högt, vätskebryggan är tjockare och tar längre tid att bryta, vilket saktar ner hela dispenseringsprocessen."

För att övervinna dessa utmaningar, Chan och hans kollegor utarbetade en enkel lösning:istället för att sträcka ut vätskebryggan, det kan destabiliseras genom vridning.

I studien, forskargruppen testade denna idé på viskoelastisk silikonolja, vilket är 60, 000 gånger mer trögflytande än vatten. Forskarna placerade en droppe silikonolja mellan en övre och en nedre platta. Med hjälp av höghastighetsbilder, de fann att när vätskebryggan vreds genom att vrida den övre plattan, det orsakade en spricka halvvägs mellan vätskebryggans ändar. Sprickan spred sig sedan inåt från kanten mot mitten, skära bron rent i två delar utan att bilda kapillärsvansar eller satellitdroppar.

Viktigt, denna process tog ungefär en sekund, jämfört med de tio sekunder som vanligtvis behövs för att dispensera samma vätska med den konventionella retraktionsmetoden.

För deras nästa steg, forskarna upptäckte den underliggande mekanismen som gör att vätskebryggan går sönder när den placeras under vridning. De slog sig ihop med ett forskningslabb från Eindhovens tekniska universitet, som simulerade vad Chan och hans kollegor hade observerat experimentellt. Simuleringarna gav konkret information om hur vätskebryggan reagerade, validering av vad forskarna hade misstänkt:sprickan orsakades av "kantfraktur".

"Detta är särskilt slående eftersom kantbrott har karakteriserats som ett verkligt oönskat fenomen som forskare försöker stoppa från att inträffa, " sa Dr Simon Haward, som är gruppledare för Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "Detta är första gången som kantbrott har visat sig ha en fördelaktig tillämpning."

I nästa fas av sin forskning, teamet planerar att experimentera med olika viskoelastiska vätskor för att bekräfta att samma effekt gäller. De planerar också att öka hastigheten på utmatningsprocessen ytterligare, potentiellt genom att kombinera både rotation och indragning av den övre plattan.

"För många branscher, att byta från ett munstycke som dras tillbaka till ett som snurrar är relativt enkelt, men det har långtgående konsekvenser, sa senior författare, Professor Amy Shen. "Snabbare och mer exakt vätskedispensering kan minska energiförbrukningen, och färre kontaminerade produkter kan innebära att mindre råmaterial används."