Вязкая жидкость потекла по гидрофобным капиллярам быстрее текучей

Физики обнаружили, что под действием силы тяжести вязкие жидкости быстрее текут по супергидрофобному капилляру, чем менее вязкие, что противоречит известным гидродинамическим закономерностям. 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.

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.

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.

Василий Зайцев

https://nplus1.ru/