Физики обнаружили, что под действием силы тяжести вязкие жидкости быстрее текут по супергидрофобному капилляру, чем менее вязкие, что противоречит известным всем специалистам и научному миру классическим гидродинамическим уравнениям. Оказалось, что дело в круговом потоке внутри капли, который разрушает воздушный зазор между жидкостью и стенкой капилляра. Повышение же вязкости, в свою очередь, подавляет внутренние течения. Статья опубликована в журнале Science Advances. Вязкость — это способность жидкости сопротивляться течению. Чем жидкость более вязкая, тем труднее ее прокачать по трубам, а значит, возникает необходимость применять более мощные насосы и более крепкие трубы, рассчитанные на повышенное давление. Помимо снижения вязкости, ток жидкости можно улучшить при помощи супергидрофобной поверхности. Такие поверхности не смачиваются водой: капли на них остаются лежать в виде шарика. Между шершавой гидрофобной поверхностью определенного вида и жидкостью возникает воздушный зазор — пластрон, который уменьшает площадь контакта двух сред и облегчает протекание.
Течение жидкостей в капиллярах под микроскопом. Vuckovac et al. / Science Advances, 2020.
Ученые под руководством Майи Вуковач (Maja Vuckovac) из Университета Аалто изучали взаимодействия шершавой супергидрофобной поверхности с густыми жидкостями. Исследователи соорудили вертикальные капилляры из коммерчески доступного супергидрофобного материала (Hydrobead), закрытые с одной или с двух сторон. В эти капилляры заливали жидкости с разной вязкостью, в том числе воду, глицерин и полиэтиленгликоль, которые затем стекали вниз под действием силы тяжести.
В итоге физики обнаружили, что в такой конфигурации поток тем быстрее, чем выше вязкость, и эта зависимость справедлива до вязкости в 1000 миллипаскаль в секунду (сироп средней уварки). Это противоречит стандартным гидродинамическим моделям, согласно которым трение уменьшает число Рейнольдса и замедляет поток. Более того, для контроля исследователи изготовили капилляры с гладкой поверхностью, и жидкость по ним не стекала вообще. Из этого авторы сделали вывод, что дело именно в формировании пластрона.
Для того чтобы объяснить феномен, исследователи ввели в жидкости частицы-трекеры и начали наблюдать за стекающими каплями на микроуровне, в том числе за потоками внутри самой капли. Оказалось, что в каплях с низкой и средней вязкостью возникает асимметричный круговой поток, как если бы внутри бутылки вода шла от дна к горлышку по одной стенке и обратно по другой. Чем гуще жидкость, тем слабее этот эффект, при вязкости около 1000 миллипаскалей в секунду капля стекает ровно и в десять раз быстрее, чем в тысячу раз менее вязкая вода.
Справа капля более густая и она течет стабильнее. Vuckovac et al. / Science Advances, 2020
Исследователи выяснили, что круговой поток внутри капли истончает пластрон и делает его границу неровной, в то время как чем больше вязкость, тем слабее потоки внутри жидкости. Ученые провели эксперименты с супергидрофобным покрытием другой марки, и результат не изменился. Этот эффект придется учитывать при создании систем супергидрофобных капилляров, например, для охлаждения техники, и инженерам, вероятно, в некоторых случаях будет выгодно искусственно повысить вязкость жидкости.
