Från regndroppar som rullar ner för ditt fönster, till vätskan som rinner genom ett COVID-snabbtest, vi kan inte gå en dag utan att observera vätskedynamikens värld. Naturligtvis är hur vätskor passerar över och genom ytor ett hårt undersökt ämne, där nya upptäckter kan ha djupgående effekter inom områdena energiomvandlingsteknik, elektronikkylning, biosensorer och mikro-/nanotillverkning.
Nu, med hjälp av matematisk modellering och experiment, har forskare från Kyushu Universitys tekniska fakultet utvecklat en grundläggande princip inom vätskedynamik. Deras nya rön kan leda till effektivare produktutveckling inom många vätskebaserade industrier, som t.ex. avancerad elektroniktillverkning och diagnos av sjukdomar i laboratoriet.
"Vi lever i en ständigt närvarande värld av vätska och flöde", förklarar biträdande professor Zhenying Wang, första författaren till studien som publicerades i Journal of Fluid Dynamics . "Under årtiondena har forskare ansträngt sig för att matematiskt beskriva de till synes enkla fenomenen med vätskeflöde och spridning. Till exempel beskriver Tanners lag hur en droppe vatten sprider sig på en fast yta över tiden."
Dessa ekvationer förblir dock ofullständiga. Även den klassiska Tanners lag är endast giltig för icke-flyktiga vätskor som olja. Lagen blir mindre tillförlitlig när det gäller flyktiga vätskor som vatten, alkohol och parfymer på grund av termodynamiken mellan luft, vätska och yta som spelar in.
"Därför tittade vi på de nuvarande lagarna i hopp om att utöka vår förståelse av dynamiken hos flyktiga vätskor", fortsätter Wang. "Vi började med att matematiskt introducera parametrar som speglar hur flyktiga vätskor reagerar under liknande förhållanden när Tanners lag härleddes."
Teamet – i samarbete med Prashant Valluri från University of Edinburgh och George Karapetsas från Aristotle University of Thessaloniki – genomförde sedan en serie experiment som noggrant avbildade flyktiga vätskors rörelser och termodynamik. Dessa två tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att skala upp de etablerade vätskedynamiska principerna och sätta ihop en mer mångsidig bild av fysiken hos flyktiga vätskor som interagerar med en yta och luften.
"Arbetet här skildrar ett stort antal verkliga fall och ger en mer komplett bild av vätskedynamik som inte kunde förklaras helt enkelt av Tanners lag", förklarar medförfattare till tidningen Docent Chihiro Inoue.
"På en mer praktisk nivå skulle dessa resultat kunna spela en betydande roll i olika vätskebaserade industrier, till exempel vid kylning av elektronik och andra energiapparater. Vätskedynamikens värld kan vara mycket noggrann, men noggrann undersökning av den krävs om vi hoppas kunna dechiffrera de grundläggande flödena runt oss."
