Vätskestrålar finns runt omkring oss:från bläckstråleutskrift, till gejsern "Old Faithful" i Yellowstone National Park, till kosmologiska jetstrålar flera tusen ljusår långa.

En forskare från Northwestern University med medarbetare från Cambridge University, Oxford universitet, och Centro Nacional de Biotecnología har nyligen verifierat den klassiska Landau-Squire-teorin i den minsta nedsänkta jet. Diametern på deras strålar låg i intervallet 20 till 150 nanometer, vilket är längden på bara några hundra vattenmolekyler uppradade i rad.

"Flödeshastigheten från denna nanojet är i intervallet tiotals picoliter per sekund, " sa Sandip Ghosal, docent i maskinteknik och (med artighet) ingenjörsvetenskaper och tillämpad matematik vid Northwesterns McCormick School of Engineering and Applied Science. "I denna takt, om du hade börjat fylla en tvåliters läskflaska när den första pyramiden byggdes i Egypten, flaskan skulle vara ungefär halvfull nu."

En artikel som beskriver forskningen, "En Landau-Squire Nanojet, " publicerades den 14 oktober i tidskriften Nanobokstäver .

Nanojet är designat runt en glas "nano kapillär, "som forskarna tillverkade genom att värma en vanlig glaskapillär - ett ihåligt glasrör - med en laser och försiktigt dra det tills det gick sönder, skapa ett bra tips. Forskarna applicerade en elektrisk spänning över kapillären, som sänktes ned i en saltlösning för att skapa ett elektroosmotiskt flöde som sedan uppstod som en stråle.

För att mäta jetströmmen, forskarna byggde en liten vindmätare – en väderkvarnliknande enhet som används för att mäta vindhastigheten – från en polystyrenpärla som är mindre än en femtiodel av ett människohårs bredd. Pärlan hölls på plats av en "optisk fälla, " en finfokuserad laserstråle som fungerade som en spindel för den lilla vindmätaren. När pärlan var placerad framför strålen, det snurrade runt, och en videokamera plockade upp små fluktuationer av ljus från en grop på pärlan.

Den nya anemometritekniken gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga nanojetens virvel- och hastighetsfält och jämföra dem med de som förutspåddes av den klassiska Landau-Squire-lösningen av Navier-Stokes-ekvationerna, de 200 år gamla ekvationerna som utgör grunden för klassisk fysik. Deras observationer visade sig vara i anmärkningsvärd överensstämmelse med teorin.

"Navier-Stokes ekvationer och allt som härrör från dem förväntas gå snett när vi närmar oss molekylära skalor, men ingen vet hur långt ner man kan trycka innan det går sönder, "Ghosal sa. "Vi upptäckte att det fungerar väldigt bra ner till tiotals nanometer."

Forskarna observerade också ett fenomen som de kallar flödeskorrigering:en asymmetri i flödeshastigheten med avseende på spänningsomkastning. De fann att när spänningen vänds, kapillären suger in vätska som förväntat, men till en mycket lägre takt. Kapillären beter sig alltså som en halvledardiod — en elektronisk "ventil" som tillåter strömflöde i endast en riktning — men med vätska som flödar i stället för elektroner.

Nanojeten har ett antal potentiella nya tillämpningar. En möjlig användning är som en ultralågvolyminjektor för att överföra biomolekyler till celler eller vesiklar, en process som används i rekombinant DNA-teknik som är viktig vid produktionen av humant insulin och sjukdomsresistenta grödor. Andra möjligheter inkluderar användning som en "flödeslikriktare" i mikrofluidiska logiska kretsar, den funktionella motsvarigheten till halvledardioder inom mikroelektronik, och även i applikationer som involverar nanoskala mönstring och mikromanipulation.