Hunaja virtaa vettä nopeammin erikoispäällystetyissä putkissa

Korkean viskositeetin nesteet, kuten hunaja ja glyseroli, ovat paksuja ja sitkaita, ja ne virtaavat yleensä hitaammin kuin veden kaltaiset matalan viskositeetin nesteet.

Se miten nopeasti neste virtaa putkessa, on olennainen tekijä monilla tieteen ja tekniikan alueilla öljynjalostuksesta sydämen toimintaan ja lääkkeiden valmistukseen. Virtausnopeutta voidaan kasvattaa lisäämällä nesteen painetta, mutta vain tiettyyn rajaan asti – muuten vaarana on putken murtuminen.

Aalto-yliopiston professori Robin Rasin vetämä tutkimusryhmä halusi kokeilla, voidaanko virtausnopeuteen vaikuttaa äärimmäisen vettähylkivän eli superhydrofobisen pinnoitteen avulla. Tutkijat päällystivät kapeiden putkien sisäpuolet pinnoitteella ja huomasivat, että suljetuissa putkissa korkean viskositeetin nesteet virtasivat matalan viskositeetin nesteitä nopeammin. Mitä sitkaampaa neste oli, sitä enemmän päällyste lisäsi sen vauhtia. Tutkimusartikkeli julkaistiin 16. lokakuuta Science Advances -tiedelehdessä.

Superhydrofobiset pinnoitteet eivät kuitenkaan itsessään nopeuta korkeaviskoosisten nesteiden virtausta. Jos superhydrofobista avointa pintaa kallistetaan, vesipisara virtaa pienemmän viskositeettinsa ansiosta hunajapisaraa nopeammin. Tilanne muuttuu, kun pisara suljetaan erittäin kapeaan putkeen, jolloin pisaran ulkopinnan ja putken sisäpinnan superhydrofobisen pinnoitteen väliin jää pieni ilmarako.

”Suljetuissa superhydrofobisissa putkissa pisaran ympärillä oleva ilmarako oli suurempi, kun nesteellä oli korkea viskositeetti. Suuremman ilmaraon ansiosta korkeaviskoosiset nesteet virtasivat putken läpi matalaviskoosisia nesteitä nopeammin silloin, kun nesteen liike johtui painovoimasta”, sanoo tutkijatohtori Maja Vuckovac.

Tutkijat kuvasivat paitsi nesteen nopeutta putkessa myös nesteen virtausta pisaran sisällä. Korkeaviskoosisten pisaroiden sisällä neste ei juurikaan liikkunut, kun taas matalaviskoosisissa pisaroissa neste liikkui nopeasti.

”Ratkaiseva havainto oli, että matalaviskoosiset nesteet tunkeutuivat hieman pisaraa ympäröivään ilmarakoon. Tämä kavensi ilmarakoa, minkä vuoksi matalaviskoosisen pisaran alla oleva ilma ei voinut siirtyä pois pisaran tieltä yhtä nopeasti kuin ilmaraon ollessa suurempi eli silloin, kun pisaran viskositeetti oli korkeampi. Kun ilma virtasi matalaviskoosisten pisaroiden ohi hitaammin, ne eivät voineet liikkua putkessa yhtä nopeasti kuin korkeaviskoosiset pisarat”, sanoo tutkijatohtori Matilda Backholm.

Tutkijat loivat myös nestevirtojen mittausta varten mallin, jonka avulla he pystyivät ennustamaan, miten pisarat virtaavat eri superhydrofobisilla pinnoitteilla pinnoitetuissa putkissa. Lisätutkimus voi auttaa kehittämään hyödyllisiä mikrofluidistiikan sovelluksia esimerkiksi lääkkeiden ja kemikaalien valmistukseen.