2019-08-01 23:25:01
滑层动力学揭示了为什么有些流体流动速度比预期的要快

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无论是通过管道涌出的油还是通过动脉循环的血液,液体如何流过管道也许是流体动力学中最基本的问题。挑战在于通过最小化移动液体和固定管表面之间的摩擦能量损失来最大化运输效率。与直觉相反,向液体中添加少量大的缓慢移动的聚合物,从而形成“复杂的液体”,导致更快,更有效的运输。推测这种现象是由于在管内壁周围形成薄层(称为耗尽层或分裂层)而产生的,其中聚合物浓度显着低于本体溶液中的浓度。然而,考虑到该层的固有薄度,其仅为几纳米厚,在聚合物尺寸的量级上,直接实验观察是困难的,因此该领域的进展严重依赖于体积测量和计算机模拟。

位于基础科学研究所(IBS,韩国)的软和生活物质中心的研究人员通过成功地对流经微通道的聚合物溶液中的耗尽层进行成像,在该领域取得了重大进展。他们的研究发表在“美国国家科学院院刊”上,依赖于一种新型超分辨率显微技术的发展,该技术使研究人员能够以前所未有的空间分辨率看到这一层。

这种现象的第一次观察发生在近一个世纪前。对高分子量聚合物溶液的实验研究揭示了一个令人费解的观察结果:聚合物溶液的测量粘度与其流过窄管的速率之间存在明显的差异。聚合物溶液总是比预期更快地流动。此外,管越窄,这种差异越大。这引起了人们的兴趣,直到今天仍然存在。

“耗尽层动力学是一个我们发现非常有趣的问题,但是使用当前的实验技术取得进展是一项挑战,”该研究的相应作者John T. King说。 “我们知道开发一种可以提供新信息的技术需要迈出的第一步。”

凭借他在超分辨率显微镜方面的专业知识,该研究的第一作者Seongjun Park开发了一种新型的受激发射损耗(STED)显微镜,它具有足够的空间分辨率和对比敏感度,可直接观察耗尽层。与此同时,该研究的共同作者Anisha Shakya运用她的聚合物物理知识来优化合适的成像系统。该团队认为,最好的方法是将新开发的STED各向异性成像应用于高分子量聚合物聚苯乙烯磺酸盐(PSS)溶液,流经30微米宽的二氧化硅微流体通道。

在荧光染料的帮助下跟踪PSS的行为。 PSS的侧链与染料之间的瞬时相互作用减缓了染料分子的旋转运动。这些微小的变化揭示了PSS的位置和浓度,空间分辨率为10纳米。

研究人员首先证实了在壁上形成耗尽层,并测量了耗尽层的尺寸与PSS尺寸一致。然后他们观察到当溶液开始流动时,耗尽层的厚度变窄。有趣的是,耗尽层尺寸的变化仅在对应于聚合物构象的已知变化的临界流速之后开始。这是对这种现象的第一次直接实验证实,这是多年前通过分子动力学模拟预测的。

令人惊讶的是,还观察到耗尽层组合物的变化在意外的低流速下发生。特别是,聚合物链段被拉离壁,在靠近壁的地方留下几乎没有聚合物的纯溶剂。这可归因于流体动力升力,如飞机中的气动升力,其由壁上的不对称流动引起。虽然水力升力已经在计算机模拟中得到很好的表征,并且在宏观系统中观察到(例如,由于其较平坦的形状,比目鱼比其他动物更好地对抗这种升力),但对纳米尺度长度尺度的直接实验观察仍然是难以捉摸的。

预计这种有前景的方法可以提供关于不同方案中流动的复杂流体的新信息,例如湍流,如在快速流动的河流中看到的,或流过纳米流体装置。

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