• Home
  • Química
  • Astronomía
  • Energía
  • Naturaleza
  • Biología
  • Física
  • Electrónica
  •  science >> Ciencia >  >> Física
    La dinámica de la capa de deslizamiento revela por qué algunos fluidos fluyen más rápido de lo esperado

    Resumen gráfico del estudio. Como lo indican las flechas de color rojo oscuro, El fluido que fluye a través de una tubería cilíndrica estrecha se mueve a diferentes velocidades:más rápido cerca del centro del tubo que en los bordes (flujo de Poiseuille). La capa en contacto con la superficie interna de la tubería se conoce como capa de deslizamiento o capa de agotamiento, y permite que el fluido a granel "se deslice" más allá de las paredes de manera más eficiente. El equipo de IBS desarrolló una nueva técnica (STED-anisotropía) para medir experimentalmente lo que sucede directamente en la capa de deslizamiento, y cambios caracterizados en la dimensión y composición de la capa de agotamiento en función del caudal. Un análisis cuidadoso de los tiempos de relajación del polímero muestra que por encima de un caudal crítico, Las fuerzas de cizallamiento conducen al alargamiento y alineación del polímero (cadena con perlas blancas) a lo largo de la dirección paralela al flujo. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas

    Ya sea petróleo que brota a través de las tuberías o sangre que circula por las arterias, cómo fluyen los líquidos a través de los tubos es quizás el problema más fundamental de la hidrodinámica. El desafío es maximizar la eficiencia del transporte minimizando la pérdida de energía por fricción entre el líquido en movimiento y las superficies de los tubos estacionarios. Contraintuitivamente, agregando una pequeña cantidad de grande, polímeros de movimiento lento al líquido, formando así un "líquido complejo, "conduce a más rápido, transporte más eficiente. Se especuló que este fenómeno surgiría de la formación de una capa delgada alrededor de la pared interna del tubo, conocida como capa de agotamiento o capa dividida, en el que la concentración de polímero fue significativamente menor que en la solución a granel. Sin embargo, dada la inherente delgadez de esta capa, que tiene solo unos pocos nanómetros de espesor, en el orden del tamaño del polímero, la observación experimental directa fue difícil, por lo que el progreso en el campo se basó en gran medida en mediciones masivas y simulaciones por computadora.

    Investigadores del Center for Soft and Living Matter, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), hizo un avance significativo en el campo mediante la obtención de imágenes con éxito de la capa de agotamiento en soluciones de polímero que fluyen a través de microcanales. Su estudio, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , se basó en el desarrollo de una nueva técnica de microscopía de superresolución que permitió a los investigadores ver esta capa con una resolución espacial sin precedentes.

    La primera observación de este fenómeno se realizó hace casi un siglo. Los estudios experimentales sobre soluciones de polímero de alto peso molecular revelaron una observación desconcertante:había una aparente discrepancia entre la viscosidad medida de la solución de polímero y la velocidad a la que fluía a través de un tubo estrecho. La solución de polímero siempre fluiría más rápido de lo esperado. Es más, cuanto más estrecho es el tubo, cuanto mayor sea esta discrepancia. Esto despertó un interés que persiste hasta el día de hoy.

    "La dinámica de la capa de agotamiento fue un problema que nos pareció muy interesante, pero fue un desafío avanzar con las técnicas experimentales actuales, "dice John T. King, el autor correspondiente del estudio. "Sabíamos que el primer paso debía ser el desarrollo de una técnica que pudiera proporcionar nueva información".

    Utilizando su experiencia en microscopía de superresolución, Parque Seongjun, el primer autor del estudio, desarrolló una adaptación novedosa de microscopía de agotamiento de emisión estimulada (STED) que tiene suficiente resolución espacial y sensibilidad de contraste para observar directamente las capas de agotamiento. Al mismo tiempo, Anisha Shakya, el coautor del estudio, aplicó sus conocimientos de física de polímeros para optimizar un sistema de imágenes adecuado. El equipo decidió que el mejor enfoque sería aplicar las imágenes de anisotropía STED recientemente desarrolladas a una solución de polímero de alto peso molecular, poliestireno sulfonato (PSS), fluye a través de canales de microfluidos de sílice de 30 μm de ancho.

    El comportamiento de PSS se rastreó con la ayuda de tintes fluorescentes. Las interacciones transitorias entre las cadenas laterales de PSS y el tinte ralentizan el movimiento de rotación de la molécula de tinte. Estos pequeños cambios revelan la posición y la concentración del PSS con una resolución espacial de decenas de nanómetros.

    Los investigadores primero confirmaron la formación de capas de agotamiento en la pared y midieron que las dimensiones de la capa de agotamiento eran consistentes con el tamaño de PSS. Luego observaron que el grosor de la capa de agotamiento se estrechaba cuando la solución comenzaba a fluir. Curiosamente, los cambios en la dimensión de la capa de agotamiento solo comienzan después de un caudal crítico que corresponde a cambios conocidos en la conformación del polímero. Esta fue la primera confirmación experimental directa de este fenómeno, que se predijo a partir de simulaciones de dinámica molecular hace años.

    Asombrosamente, También se observó que los cambios en la composición de la capa de agotamiento se producen a caudales inesperadamente bajos. En particular, los segmentos de polímero se separan de la pared, dejando disolvente casi puro, sin polímeros, cerca de la pared. Esto se puede atribuir a las fuerzas de elevación hidrodinámicas, como elevación aerodinámica en aviones, que surgen del flujo asimétrico en la pared. Si bien la elevación hidrodinámica se ha caracterizado bien en simulaciones por computadora, y observado en sistemas macroscópicos, (por ejemplo, las platijas luchan contra este levantamiento mejor que otros animales debido a su forma más plana), las observaciones experimentales directas en escalas de longitud nanoscópicas siguen siendo difíciles de alcanzar.

    Se prevé que este enfoque prometedor puede proporcionar nueva información sobre fluidos complejos en circulación en diferentes regímenes, como flujo turbulento, como lo que se ve en ríos veloces, o fluir a través de dispositivos nanofluídicos.

    © Ciencia https://es.scienceaq.com