芬蘭新研究:在管壁塗上「超疏水塗層」,越黏稠的液體流越快!

【我們為什麼編譯這篇文章】一般認知中,低黏性液體會比黏性液體流動地快,但近日來自芬蘭研究團隊的發現,可能會顛覆你的認知!研究指出,在具有「疏水性塗層」的微管中,黏性液體會流得比低黏性液體快,它的原理是什麼?(責任編輯:賴佩萱)

液體流動的原理應用廣泛,從工業應用到生物系統等層面都帶來許多幫助,例如水透過加壓技術可以得到更強力的水流,但這個方法卻又有可能面臨水管壓力破裂的風險,許多科學家一直在尋找讓水流在不加壓的情況下增加流速的方法,芬蘭的阿爾托大學(Aalto University)研究團隊可能帶來了解方。

在超疏水性微管內,黏性液體竟然留比較快?

這支研究團隊發現了一種新方法可以改變水流速度,在一般情況下,水的流動性通常比黏稠的蜂蜜來得快,但研究發現 在一種具有疏水性塗層的微管中,黏性液體的流動速度竟然會比低黏性的液體還要快 ,於 10 月中在科學期刊《Science Advances》上發表。

這項研究的基礎建立在一種超疏水性(superhydrophobicity)的特殊材料上,也就是說這種材料極度排斥水。主導這項研究的物理學家 Robin Ras 透露,當例如蠟這種疏水性表面(粗糙、表面由微小的隆起組成),這些隆起會將空氣吸附在塗層上,所以當液體流過時,就會有如隔上了一層空氣坐墊,因此會變得非常的疏水。

在一般情況下,拿一滴蜂蜜跟水分別滴在超疏水塗層上,因為重力的關係,通常低黏度的水會更快流下;但是當透過微流控技術,把液體被限制在一種如人的毛髮般細、且內部具有超疏水塗層的微管中時,情況就不一樣了。

黏性液體空氣層大,空氣好穿透=流速越快

在實驗中,團隊將微管密合後傾斜,液體就如同活塞一般向下並造成壓差,驅動原本在管下方的空氣向上移動,同時也會造成液體向下流動,在具有超疏水性的微管中,其管內的內壁表面上與液體的外層會有一層薄的空氣層,可以將管中的液體與固體表面隔開。

研究團隊發現,黏性液體(如蜂蜜)的空氣層比低黏性液體(如水)的空氣層來的厚,因此在這樣的情境之下,因空氣本身沒有黏性,較容易在空氣層較大的黏性液體中向上移動,所以黏性液體流動的速度就會比空氣層較小的非黏性液體來的快。

如影片中呈現,甘油的黏性比水高了 1,000 倍,在這樣的超疏水微管中的流動速度是水滴的 10 倍。

研究團隊藉由此次的研究成果,開發了一種流體動力學模型,可以預測液體在各種不同具有超疏水性微管中如何流動,團隊也希望後續研究可以朝向更多微流控技術的應用,例如如何使用疏水塗層來預測、改變液體的流動方式,並帶動更多微流控系統的開發。

參考資料

Phys.org》、Inside Science

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:pixabay。)

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