Grafisk sammanfattning av studien. Som indikeras av de mörkröda pilarna, vätska som strömmar genom ett smalt cylindriskt rör rör sig med olika hastigheter:snabbare nära rörets centrum än vid kanterna (Poiseuille -flöde). Skiktet i kontakt med rörets inre yta är känt som glidskikt eller utarmningsskikt, och gör det möjligt för massvätskan att ”glida” förbi väggarna mer effektivt. IBS-teamet utvecklade en ny teknik (STED-anisotropi) för att experimentellt mäta vad som händer direkt vid glidskiktet, och karakteriserade förändringar av utarmningsskiktets dimension och sammansättning som en funktion av flödeshastigheten. Noggrann analys av polymeravslappningstider visar att över en kritisk flödeshastighet, skjuvkrafter leder till förlängningen och inriktningen av polymeren (kedjan med vita pärlor) längs riktningen parallellt med flödet. Kredit:Institute for Basic Science
Oavsett om det är olja som rinner genom rörledningar eller blod som cirkulerar genom artärer, hur vätskor strömmar genom rör är kanske det mest grundläggande problemet inom hydrodynamik. Utmaningen är att maximera transporteffektiviteten genom att minimera energiförlusten till friktion mellan den rörliga vätskan och de stationära rörytorna. Motintuitivt, lägga till en liten mängd stor, långsamt rörliga polymerer till vätskan, bildar således en "komplex vätska, "leder till snabbare, effektivare transport. Detta fenomen spekulerades att uppstå från bildandet av ett tunt lager runt rörets inre vägg, känd som utarmningsskikt eller delat lager, i vilken polymerkoncentrationen var signifikant lägre än i bulklösningen. Dock, med tanke på att det här lagret är tunnare, som bara är några nanometer tjock, i storleksordningen av polymerstorleken, direkt experimentell observation var svår, och därför var framstegen på området starkt beroende av bulkmätningar och datasimuleringar.
Forskare vid Center for Soft and Living Matter, inom Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), gjort ett betydande framsteg inom området genom att framgångsrikt avbilda utarmningsskiktet i polymerlösningar som flödar genom mikrokanaler. Deras studie, publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , förlitade sig på utvecklingen av en ny superupplöst mikroskopiteknik som gjorde att forskarna kunde se detta lager med en aldrig tidigare skådad rumsupplösning.
Den första observationen av detta fenomen gjordes för nästan ett sekel sedan. Experimentella studier av polymerlösningar med hög molekylvikt avslöjade en förvirrande observation:det var en uppenbar skillnad mellan den uppmätta viskositeten hos polymerlösningen och den hastighet med vilken den flödade genom ett smalt rör. Polymerlösningen skulle alltid flöda snabbare än förväntat. Vidare, ju smalare röret är, desto större är denna skillnad. Detta väckte ett intresse som kvarstår än idag.
"Dynamik av utarmningsskikt var ett problem som vi tyckte var mycket intressant, men det var utmanande att göra framsteg med nuvarande experimentella tekniker, "säger John T. King, motsvarande författare till studien. "Vi visste att det första steget behövde vara utvecklingen av en teknik som kunde ge ny information."
Med hjälp av sin expertis inom superupplösningsmikroskopi, Seongjun Park, den första författaren till studien, utvecklat en ny anpassning av stimulerad utsläppsminskning (STED) mikroskopi som har tillräcklig rumsupplösning och kontrastkänslighet för att direkt observera utarmningsskikt. På samma gång, Anisha Shakya, medförfattare till studien, använde sin kunskap om polymerfysik för att optimera ett lämpligt bildsystem. Teamet beslutade att det bästa tillvägagångssättet skulle vara att applicera den nyutvecklade STED-anisotropi-avbildningen på en lösning av högmolekylär polymer, polystyrensulfonat (PSS), flödar genom 30 μm breda kiseldioxid mikrofluidiska kanaler.
PSS beteende spårades med hjälp av fluorescerande färgämnen. Övergående interaktioner mellan sidokedjorna hos PSS och färgämnet bromsar färgmolekylens rotationsrörelse. Dessa små förändringar avslöjar PSS -position och koncentration med en rumslig upplösning på 10 sekunder nanometer.
Forskarna bekräftade först bildandet av utarmningsskikt vid väggen och mätte att utarmningsskiktets dimensioner överensstämde med PSS -storlek. De observerade sedan att tjockleken på utarmningsskiktet minskade när lösningen började flöda. Intressant, förändringar i utarmningsskiktdimensionen börjar endast efter en kritisk flödeshastighet som motsvarar kända förändringar i polymerkonformationen. Detta var den första direkta experimentella bekräftelsen på detta fenomen, som förutspåddes från molekylära dynamiksimuleringar för år sedan.
Förvånande, det observerades också att förändringar i utarmningsskiktkompositionen sker vid oväntat låga flödeshastigheter. Särskilt, polymersegment dras bort från väggen, lämnar nästan rent lösningsmedel, utan polymerer, nära väggen. Detta kan hänföras till hydrodynamiska lyftkrafter, som aerodynamisk hiss i flygplan, som uppstår från asymmetriskt flöde vid väggen. Medan den hydrodynamiska lyften har väl kännetecknats i datasimuleringar, och observeras i makroskopiska system, (till exempel, skrubbar kämpar mot denna lyft bättre än andra djur på grund av deras plattare form), direkta experimentella observationer på nanoskopiska längdskalor har förblivit gäckande.
Det förväntas att detta lovande tillvägagångssätt kan ge ny information om komplexa vätskor under flöde i olika regimer, såsom turbulent flöde, som det som ses i snabbt flödande floder, eller flöda genom nanofluidiska enheter.
