Detta fasdiagram sammanfattar resultaten från en studie av enheten Micro/Bio/Nanofluids om flödet av viskoelastiska vätskor över vågiga ytor. Flödesmönstren beror på vätskeelasticitet (inkapslad av Sigma, på den vertikala axeln) och kanalens djup i förhållande till ytvåglängden (som är alfa, på den horisontella axeln). Det nedre högra hörnet av diagrammet är den specifika regionen där elasticiteten och kanaldjupet är i en "söt fläck, ”Så kombineras de för att resultera i virvelförstärkning vid det” kritiska skiktet ”. Upphovsman:Okinawa Institute of Science and Technology
Viskoelastiska vätskor finns överallt, oavsett om du springer genom dina ådror eller genom 1, 300 kilometer rör i Trans-Alaska Pipeline. Till skillnad från newtonska vätskor, som olja eller vatten, viskoelastiska vätskor sträcker sig som en klibbig salivsträng. Kedjor av molekyler inuti vätskorna ger dem denna supermakt, och forskare arbetar fortfarande med att förstå hur det påverkar deras beteende. Forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har tagit oss ett steg närmare genom att demonstrera hur viskoelastiska vätskor flödar över vågiga ytor, och deras resultat är oväntade.
"För mig var det inte intuitivt, och jag har arbetat med dessa vätskor i nästan 20 år, "sa Simon Haward, gruppledare i enheten Mikro/Bio/Nanofluidik och första författare till studien. Pappret, publicerad i Vätskans fysik den 5 november, 2018, är den tredje i en serie av tre studier som testar nya teorier om viskoelastiska vätskor.
En fenomenal försvinnande handling
När vatten rinner genom ett slätt rör, dess rörelse är genomgående enhetlig. Men när vatten kommer i kontakt med en vågig yta, det bryter som tidvattnet över havet. Vattnet reagerar på varje topp och dal genom den störande vågen, kastas in i spiralvirvlar som kallas virvlar. Den snurrande rörelsen, känd som virvel, är mest uttalad nära den vågiga väggen och försvinner på ett beräknbart avstånd bort.
Forskare har bevittnat detta scenario utspelas otaliga gånger i vatten och andra newtonska vätskor. Men innan nu, analoga experiment hade aldrig utförts med viskoelastiska vätskor, som förutspås uppträda mycket annorlunda. OIST -forskare bestämde sig för att fylla den luckan i litteraturen.
Nyligen teoretiskt arbete tyder på att vågor skickar viskoelastiska vätskor som snurrar ungefär som Newtons vätskor, men med en viktig skillnad. Medan den virvlande rörelsen som induceras i Newtons vätskor förfaller med avstånd, virvlar i viskoelastiska vätskor kan faktiskt förstärkas på ett visst avstånd. Denna region med förstärkt verkan har kallats det "kritiska skiktet" i teorin, men hade inte observerats experimentellt.
"Placeringen av detta kritiska skikt beror på vätskans elasticitet, "sa Haward. Ju fler molekylkedjor, eller polymerer, en vätska innehåller, han sa, ju mer elastisk den blir. Ju mer elastisk vätska, ju längre bort det kritiska lagret rör sig från den vågiga väggen. Det kommer en punkt när vätskan är så elastisk, och det kritiska skiktet så avlägset, att spiralvirvlarna nära väggen inte längre påverkas av den.
"I vanliga fall, vi tror att om en vätska är mer viskoelastisk, du kommer att se mer konstiga effekter, "Sade Haward." Men i det här fallet, när vätskan är mycket elastisk, den observerbara effekten försvinner. "
Forskare i enheten Mikro/Bio/Nanofluider fångar ögonblicksbilder av flytande vätska genom att så ut det med spårpartiklar, som avbildas här. Varje bild tas vid en annan tidpunkt, så partiklarna har flyttat position från en ram till nästa. Upphovsman:Okinawa Institute of Science and Technology
Att fylla kritiska kunskapsluckor
I tidigare forskning har Micro/Bio/Nanofluidics -enheten utformade experiment och specialutrustning för att fånga dessa kritiska lager i aktion. Deras ansträngningar resulterade i det första experimentella beviset på fenomenet. Nu, forskarna har konstruerat ett detaljerat diagram som beskriver hur det kritiska lagret skiftar när kanalen breddas, våglängden förlängs eller vätskans flödeshastighet ökas.
"Det var förvånande eftersom teorin verkade kontraintuitiv, men våra experimentella resultat föll i exakt samma fasdiagram som teorin förutspådde, "sa Haward." I grunden våra experiment bekräftade teorin fullt ut. "
Den omfattande forskningen etablerar en stark utgångspunkt för framtida studier av viskoelastiska vätskor. De grundläggande egenskaperna hos dessa stretchiga vätskor har direkta konsekvenser för oljeindustrin, medicin och bioteknik, och hjälpa till att forma världen omkring oss. Med denna studie, forskare kan nu börja lägga in det kritiska skiktet i sina beräkningar, som kan bidra till att förbättra applikationer eller hitta nya vägar för viskoelastiska vätskor i sin forskning.
