(Phys.org) – Forskare vid Swinburne University of Technology har avslöjat en revolutionerande metod för att pumpa vätska på nanoskalanivå som har potentiell användning för avsaltning av vatten och lab-on-a-chip-enheter.
De har utvecklat en enkel, mycket noggrann modell för att förutsäga vätskerörelser för mycket instängda vätskor och för att sedan använda denna kunskap för att driva flödet utan mekanisk pumpning eller användning av elektroder.
"Konventionell vätskedynamikmodellering fungerar perfekt med saker vi kan se som luftflödet över ett flygplan, ", sa Swinburnes professor Billy Todd.
"Men när enheter når nanometerstorlek eller 1 miljarddels meter – ungefär en tiotusendel av ett människohårs diameter – bryts vätskemekanikens grundläggande antaganden. Det är svårt att tvinga vätska att flöda i begränsade dimensioner som bara är några atomer tjocka."
Professor Todd är ordförande för institutionen för matematik vid fakulteten för naturvetenskap och teknik i Swinburne. Tillsammans med kollegor på Swinburne, RMIT och Roskilde Universitet i Danmark, han har tillämpat idéer från matematik och fysik, och använde superdatorer för att titta på vad som händer vid gränssnittet mellan den fasta ytan och vätskan vid nanometerdimensioner.
"Många år sedan, Forskare i Frankrike och Tyskland utvecklade en teori om att ett roterande elektriskt fält kunde få vattenmolekyler att snurra och att denna spinnrörelse kunde omvandlas till linjär strömmande vätskerörelse, " sa professor Todd.
"Om symmetrin hos de begränsande väggarna kunde brytas så att en vägg var hydrofil och drog till sig vatten, medan den andra var hydrofob och stötte bort vatten, sedan visades det matematiskt att vatten kunde fås att rinna i bara en riktning, nämligen längs kanalen."
Professor Todds team har vidareutvecklat den teorin och utfört de första datorsimuleringarna för molekylär dynamik för att demonstrera denna effekt, efterliknar nanoinneslutet vatten under applicering av ett roterande mikrovågsfält.
Vad de fann var att användningen av cirkulärt polariserade mikrovågor kunde driva ett betydande flöde på nanoskala utan att nämnvärt värma upp vattnet.
"Flödet kan upprätthållas när vätskan drivs ur jämvikt av ett externt likformigt roterande elektriskt fält och begränsas mellan två plana ytor med olika grader av hydrofobicitet, vilket öppnar upp ett helt nytt sätt att pumpa och kontrollera vätskeflödet begränsat till nano- eller mikrometerskala, " sa professor Todd.
Han sa att denna upptäckt har potentiell tillämpning för avsaltning av vatten såväl som för biotekniska diagnostiska verktyg som lab-on-a-chip-enheter.
Denna forskning publicerades nyligen i Langmuir . Professor Todd söker nu en experimentell partner för att verifiera denna modell i ett labb.
