En virvel i atmosfären kan cirkulera med tillräckligt med kraft för att skapa en tyfon. Men mer subtila virvlar bildas ständigt i naturen. Många av dem är för små för att kunna ses med blotta ögat.

När det är enkelt, eller "Newtonska" vätskor (som vatten) flödar mycket snabbt eller längs en krökt bana, virvlande virvlar utvecklas. Deras bildning kostar energi och ökar "dragkraften, så att mer energi krävs för att flytta en vätska i önskad riktning. I stor infrastruktur som oljeledningar, den extra energiinsats som krävs för att pumpa vätskan kommer till en betydande ekonomisk kostnad. Genom att tillsätta små mängder polymerer till oljan, forskare kan minska virvlarnas intensitet; oljan kommer då att flöda med samma hastighet men med ett reducerat pumptryck, spara energi och pengar. Även om detta fenomen har varit känt sedan 1940-talet, många frågor kvarstår om exakt hur polymererna fungerar.

Även om det finns överallt i miljön, virvlar har visat sig vara svåra att fånga och studera i laboratoriet. Nyligen, dock, forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) skapade ett sätt att undersöka dessa småskaliga bubbelpooler med hjälp av en apparat speciellt utvecklad för detta ändamål. Publicerad i tidskriften Fysisk granskning X , deras senaste artikel undersöker bildandet av virvlar i vätskor med och utan tillsatta polymerer.

"Vi kan se mycket dramatiska effekter även med mycket små koncentrationer av tillsatt polymer, sa Noa Burshtein, första författare på tidningen och en Ph.D. student vid OIST.

Med hjälp av en 3-D-tryckt "mikrofluidisk" enhet - ett litet glasblock som innehåller ett par mikroskopiska korsande kanaler som inte är mycket bredare än ett mänskligt hårstrå - kunde forskarna skapa en virvel som lätt kunde undersökas under ett mikroskop. Forskarna studerade först bildandet av virvlar i vatten, använda spårpartiklar, som gör det möjligt för forskare att spåra en vätskas rörelse. Nästa, de införde små mängder polymerer i vattnet. De fann att tillsatsen av bara en miljondel polymer hjälpte vätskan att flöda smidigare.

OIST-forskarna samarbetade med kollegor från University of Liverpool, som utförde datorsimuleringar av experimenten för att hjälpa till att förstå hur polymererna – elastiska molekyler som beter sig lite som mikroskopiska fjädrar – påverkar flödet.

"Med hjälp av simuleringarna, vi kunde tydligt visa var polymererna sträcker sig i mycket specifika områden av flödet, och hur detta fungerar för att undertrycka bildningen och tillväxten av virveln, " sa Dr Simon Haward, motsvarande författare på tidningen och gruppledare i Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid OIST.

Deras arbete har många tillämpningar i både små och stora skalor. Till exempel, små mängder polymerer används för att förbättra blodcirkulationen hos patienter med försvagade hjärtan. Dessa molekyler kan också användas för att undertrycka jetfragmentering – när många små vätskedroppar bildas – vilket hjälper till att förbättra upplösningen hos bläckstråleskrivare. Polymerer hjälper också till att undertrycka virvlar i storskalig infrastruktur, som oljeledningar och avlopp.

"Vår upptäckt har också konsekvenser för att optimera flöden i lab-on-a-chip-enheter som utvecklas för mikrofluidisk diagnostik och biomedicinska tillämpningar, sa Amy Shen, professor vid Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid OIST och medförfattare till artikeln.

Forskarna sa att de hoppas kunna bygga vidare på studien i framtida forskning.

"Det är ganska spännande att avslöja effekten av polymeren så tydligt för första gången, sa Haward.