Физики сделали неожиданное открытие: в условиях воздействия силы тяжести более вязкие жидкости демонстрируют более быстрое течение по капиллярам с супергидрофобным покрытием, чем значительно менее вязкие. Данный феномен противоречит общепринятым в науке классическим гидродинамическим уравнениям. Исследователи смогли выявить, что главной причиной этого явления выступает образование циркуляционного потока внутри капли жидкости, который разрушает воздушную прослойку между жидкостью и стенками капилляра. Увеличение вязкости, в свою очередь, подавляет возникновение таких внутренних течений. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances. Вязкость характеризует способность жидкости сопротивляться течению. Чем выше вязкость, тем сложнее обеспечить ее перекачку по трубопроводам, что требует более мощных насосов и прочных труб, рассчитанных на повышенное давление.
Течение жидкостей в капиллярах под микроскопом. Vuckovac et al. / Science Advances
Помимо снижения вязкости, улучшить ток жидкости возможно путем использования поверхностей с супергидрофобными свойствами. Такие поверхности не смачиваются водой, капли на них сохраняют форму шара. Возникающий между шероховатой гидрофобной поверхностью и жидкостью воздушный зазор – пластрон – уменьшает площадь контакта между ними, что облегчает течение жидкости.
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
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.
Супергидрофобные поверхности отталкивают воду настолько сильно, что иногда с их помощью можно стрелять каплями. Правда, такие поверхности обычно не очень прочные, но ученые уже придумали, как защитить супергидрофобное покрытие от абразивов с помощью армирования.
Автор: Василий Зайцев
Источник: https://nplus1.ru/
