Vätskor som vatten är newtonska, och deras viskösa beteende är väl förstått. Dock, många vanliga vätskor är "viskoelastiska". Dessa vätskor, som de som vanligtvis finns i kosmetika, tvål och färg, har en kombination av trögflytande, vätskeliknande och elastisk, fasta egenskaper och vi vet förvånansvärt lite om hur de flyter.

Trots att de inte vet mycket om deras flödesegenskaper, tillverkare lägger dessa vätskor till många olika typer av vardagsprodukter. Utan viskoelastiska vätskor, livet skulle kännas mycket annorlunda. Vi skulle inte kunna njuta av det rika löddern av schampon, inte heller den sega konsistensen av ett gummiaktigt godis, inte heller den fjädrande komforten hos en välbyggd atletisk sko.

För att förstå mer om dessa vätskor, forskare från Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) studerar flödesegenskaperna och beteendet hos olika viskoelastiska vätskor. Prof. Amy Shen, ledare för enheten, och Dr Simon Haward, enhetens gruppledare, undersöker två specifika typer av vätskor som vanligtvis används i tillverkade produkter:polymerlösningar och "levande polymerlösningar".

Polymerer är långa molekyler som består av upprepade subenheter. Polymerlösningar har ett brett användningsområde, särskilt vid formulering av livsmedel, bläck, färger och även protesvätskor som ögondroppar och konstgjord saliv. Under flöde, dessa långa polymermolekyler kan sträckas ut som gummiband, som ger vätskan dess elasticitet.

I en samarbetsstudie med Massachusetts Institute of Technologys forskare professor Gareth McKinley, Shen och Haward observerade flödesmönstren för en serie viskoelastiska polymerlösningar genom en 4-vägsövergång (Figur 1). Genom att använda en teknik som kallas flödesinducerad dubbelbrytning, de visade att när flödeshastigheten genom korsningen ökades, polymermolekyler blev mycket utsträckta i en smal sträng som passerade genom mitten av korsningen. Flödesinducerad dubbelbrytning orsakas av små mätbara förändringar i brytningen av ljus som passerar genom en vätska när den bringas att strömma. Dessa förändringar i ljusbrytning korrelerar direkt med elastiska spänningar i den strömmande vätskan. Forskarna fann att den starka elasticiteten i den dubbelbrytande strängen orsakade allvarliga förvrängningar av de observerade flödesmönstren. Att öka flödeshastigheten ytterligare ledde till uppkomsten av stora fluktuationer eller instabiliteter i flödesmönstren.

Dessa experiment gjorde det möjligt för forskarna att visa att mekanismen för uppkomsten av instabilitet i detta sträckningsflöde överensstämmer med den för viskoelastiska instabiliteter i andra, enklare typer av flöden. I ett krökt rör, till exempel, uppkomsten av instabilitet kan ganska väl förutsägas beroende på de exakta geometriska förhållandena och vätskeegenskaperna. Dock, hittills har det aldrig visats att liknande förutsägelser kan tillämpas på sträckande flöden.

Många industriella processer, som extrudering, fiberspinning och bläckstråleutskrift, involvera sträckande flöden av viskoelastiska vätskor. Flödesinstabiliteter har i allmänhet en skadlig effekt på kvaliteten på slutprodukter och begränsar därför direkt hastigheten med vilken sådana processer kan utföras. Förmågan att förutsäga uppkomsten av instabiliteter i sådana flöden kan hjälpa till att optimera bearbetningshastigheter och erhålla överlägsna slutprodukter. Resultaten av studien publiceras i tidskriften Nature Publishing med öppen tillgång Vetenskapliga rapporter .

Micro/Bio/Nanofluidics Unit studerar också flödet av "levande polymerer". Liksom polymerer, dessa material bildar långa kedjor av flera upprepade enheter, men till skillnad från polymerer, dessa enheter är inte kemiskt bundna tillsammans, men lita på andra krafter för sammanhållning. Maskliknande miceller (WLM), en typ av "levande polymer", form lång, stavliknande aggregat suspenderade i en lösning. Som med polymerer, dessa material har många industriella tillämpningar, inklusive som tillsatser i schampon och kosmetika och som material för att förbättra olje- och gasutvinningen (EOR).

WLM-lösningar pumpas in i skiffer under fracking för att utvinna mer olja och gas från dessa underjordiska bergformationer. Lösningarna är initialt tjocka och gelliknande, vilket gör att de kan generera höga tryck och spräcka skiffern. Dock, när de kommer i kontakt med kolvätena, micellerna demonteras så att lösningen kan bete sig mer som vatten och lätt rinna ut ur berget.

Dessa skifferformationer innehåller många hinder som förändrar flödet av lösningar inom. Prof. Shen bestämde sig för att använda en förenklad modell för att studera flödesmönstret för WLM-lösningar när en blockering finns. Dr Ya Zhao, en tidigare doktorand av professor Shen vid University of Washington, byggde en kanal i mikroskala där hon kunde observera flödet av WLM-lösningar runt en cylinder som fungerar som ett hinder i flödesvägen. Hon jämförde sedan flödesmönstren för en Newtonsk vätska och en WLM-lösning genom att observera ränderna som bildas av fluorescerande spårpartiklar. Hon mätte också tillväxten av spänningar i WLM-lösningen med hjälp av flödesinducerad dubbelbrytning.

Att bestämma hur dessa material flyter är mycket viktigt för att optimera deras applikationer. Dessa material finns i en mängd olika produkter och används i många industriella processer, göra deras optimering till en prioritet för tillverkarna. Att fastställa deras flödesbeteende är ett steg närmare att uppnå den fulla potentialen hos dessa produkter.