Жидкости можно заставить скользить друг по другу
 Моделирование двух потоков, разделенных при помощи гидрофобных сфер. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
В последние несколько лет ученые значительно продвинулись в создании так называемых «супергидрофобных» поверхностей, жидкость по которым течет с крайне низким коэффициентом трения. Чтобы это было возможно, на поверхности формируются массивы крошечных столбиков, каждый из которых сам по себе обладает гидрофобными свойствами (как воск). Еще большее снижение трения обеспечивает именно массив столбиков, поскольку жидкость лежит на них, как на воздушной подушке.
Группа ученых из University of Lyon (Франция) предположила, что те же идеи можно применить для снижения трения между двумя жидкостями, к примеру, в устройствах, необходимых для такого направления, как микрофлюидика. Предложенная ими методика потенциально может заставить два потока течь друг мимо друга, не смешиваясь. В качестве альтернативы столбикам, ученые предложили использовать на границе двух жидкостей множество крошечных гидрофобных сфер. Такая структура будет уменьшать трение потоков, поскольку поверхностное натяжение будет удерживать жидкости на определенном расстоянии друг от друга. Ученые отмечают, что подобные структуры уже создавались на эксперименте, но тогда никому в голову не приходило измерять их фрикционные свойства. Теперь же группа провела теоретические расчеты и компьютерное моделирование процесса, в результате чего есть основания полагать, что трение действительно существенно снижается.
Команда оценила количественно снижение трения за счет так называемой «глубины проскальзывания». Данное понятие было сформулировано по аналогии с противоположной ситуацией отсутствия проскальзывания: когда жидкость течет вдоль неподвижной твердой стенке, в идеальных условиях скорость частиц около поверхности падает до нуля. В действительности, конечно, скорость у границ потока несколько отличается от нулевой; чтобы на графике зависимости скорости частиц от точки измерения получить ноль, необходимо рассматривать точку, немного смещенную вглубь твердой поверхности. Чаще всего эта глубина настолько мала, что в ходе расчетов ею можно пренебрегать. Но большая «глубина проскальзывания» означает более быстрый поток и меньше трения, нежели при малой «глубине».
В своей работе ученые теоретически исследовали, как «глубина проскальзывания» на границе двух потоков жидкости изменяется, если включить в рассмотрение гидрофобные шарики. Когда шарики с произвольными свойствами поверхности проникают вглубь жидкости, сама поверхность несколько искривляется (поток течет вокруг шарика), повышается трение. В отличие от этой ситуации, гидрофобные шарики выравнивают поверхность, что значительно увеличивают «глубину проскальзывания». Расчеты показывают, что этот параметр может превышать несколько миллиметров (чего никогда не наблюдалось ранее).
Хотя в современных условиях практически любой новый инструмент для управления потоком жидкости изначально можно называть полезным, ученые и не задумывались ранее, что можно уменьшать трение между различными жидкостями. В описании потенциальной сферы применения своей разработки ученые предложили целый ряд футуристических устройств, где поток направляется не твердыми стенками, а другими жидкостями. Кроме того, подобные технологии были бы полезны в так называемых «лабораториях на чипе».
В ближайшее время ученые надеются экспериментально проверить свои расчеты. С их точки зрения большой проблемой для применения идеи может стать давление на границе жидкостей, которое может изменяться, в зависимости от скорости скольжения.
Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
- Ученые наблюдали «пустую» жидкость
- «Эластичность» плазмы крови человека тоже сказывается на кровотоке
- Ученые разработали способ управления потоком внутри мыльной пленки
- Для изучения реальных жидкостей ученые отслеживают перестановки в 2D-жидкостях
- Разработан способ измерения минимального течения
Источники: