Uutiset

Hunaja virtaa vettä nopeammin erikoispäällystetyissä putkissa

Mitä korkeaviskoosisempaa neste on, sitä enemmän vettähylkivä eli superhydrofobinen pinnoite lisää sen juoksevuutta.
Hunajapisaroita superhydrofobisella pinnalla. Kuva: Aalto-yliopisto.
Hunajapisaroita superhydrofobisella pinnalla. Kuva: Aalto-yliopisto.

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.

Ilmapatjan päällä

Superhydrofobiset pinnoitteet ovat Robin Rasin ja hänen ryhmänsä keskeinen tutkimusaihe, jonka tuloksia on julkaistu myös tuoreissa Science- ja Nature-tiedelehdissä.

”Superhydrofobinen pinta koostuu pienen pienistä ilmatäytteisistä huokosista. Näin pinnalle osuvat nestepisarat liukuvat ikään kuin ilmapatjan päällä”, Ras sanoo.

Droplet of honey in a superhydrophobic tube
Hunaja virtaa suljetussa superhydrofobisessa putkessa. Kuva: Aalto-yliopisto.

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.

Tutkimuksessa on hyödynnetty kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, joka tarjoaa korkeatasoisen kokeellisen ympäristön ja laitteistot nanotieteiten ja -teknologioiden, sekä kvanttiteknologioiden tutkimukseen. OtaNano operoinnista vastaavat Aalto-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT. Infrastruktuuri on sekä akateemisten että kaupallisten käyttäjien hyödynnettävissä kansainvälisesti. Lue lisää englanninkieliseltä sivustolta.

Lisätietoa:

Artikkeli: Viscosity-Enhanced Droplet Motion in Sealed Superhydrophobic Capillaries
Maja Vuckovac, Matilda Backholm, Jaakko V. I. Timonen, Robin H. A. Ras, Science Advances, DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aba5197

Robin Ras
Professori
Aalto-yliopisto
[email protected]
http://physics.aalto.fi/smw

Kielet: englanti, hollanti

Maja Vuckovac
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
[email protected]
Kielet: englanti, serbia

Matilda Backholm
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
[email protected]
Kielet: englanti, ruotsi

Jaakko Timonen
Apulaisprofessori
Aalto-yliopisto
[email protected]
p. 044 230 5820
http://physics.aalto.fi/active
Kielet: englanti, suomi

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Aalto Töölön juhlasali
Kampus, Mediatiedotteet Julkaistu:

Aalto-yliopisto Töölö -rakennuksen peruskorjaus palautti 1950-luvun hengen

Kauppakorkeakoulun entinen päärakennus Runeberginkadulla uudistui vanhaa kunnioittaen moderniksi oppimisympäristöksi.
Bakteerien valmistamaa nanoselluloosaa
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijat valjastivat bakteerit sokerilla ja proteiinilla käyviksi 3D-tulostimiksi

Bakteerit muodostivat räätälöityjä nanonselluloosarakenteita äärimmäisen vettähylkivän pinnan ohjaamina. Ainutlaatuista materiaalia voidaan käyttää esimerkiksi kudosvaurioiden korjaamisessa.
Amsterdamin konserttisali
Mediatiedotteet Julkaistu:

Konserttisalin soinnin tunnistaminen on luultua hankalampaa – testaa itse, pystytkö siihen vain musiikin perusteella

Soiton voimakkuus vaikuttaa paljon siihen, miten kuulija kokee salin akustiikan. Volyymi vaikuttaa myös tunteisiin: mitä enemmän se vaihtelee, sitä vahvempia tunnekokemuksia kuulijat saavat.
Aikalava
Mediatiedotteet Julkaistu:

Puukaupungit voisivat niellä lähes puolet sementtiteollisuuden hiilipäästöistä

Suomalaistutkijat selvittivät, miten paljon uudet puurakennukset voisivat varastoida hiiltä Euroopassa seuraavan 20 vuoden aikana.