Ya sea que el aceite fluya a través de las tuberías o la sangre que circula por las arterias, la forma en que los líquidos fluyen a través de los tubos es quizás el problema más fundamental en la hidrodinámica. El desafío es maximizar la eficiencia del transporte minimizando la pérdida de energía por fricción entre el líquido en movimiento y el líquido.superficies de tubos estacionarias. Contraintuitivamente, agregar una pequeña cantidad de polímeros grandes y de movimiento lento al líquido, formando así un "líquido complejo", conduce a un transporte más rápido y más eficiente. Se especula que este fenómeno surge de la formación de una capa delgada alrededor delpared interna del tubo, conocida como capa de agotamiento o capa dividida, en la que la concentración de polímero fue significativamente menor que en la solución a granel. Sin embargo, dada la delgadez inherente de esta capa, que tiene solo unos pocos nanómetros de espesor, del orden deel tamaño del polímero, la observación experimental directa fue difícil, por lo que el progreso en el campo se basó en gran medida en mediciones masivas y simulaciones por computadora.
Investigadores del Centro de Materia Suave y Viva, dentro del Instituto de Ciencias Básicas IBS, Corea del Sur, hicieron un avance significativo en el campo al obtener imágenes exitosas de la capa de agotamiento en soluciones de polímeros que fluyen a través de microcanales. Su estudio, publicado enel Actas de la Academia Nacional de Ciencias , se basó en el desarrollo de una nueva técnica de microscopía de súper resolución que permitió a los investigadores ver esta capa con una resolución espacial sin precedentes.
La primera observación de este fenómeno se realizó hace casi un siglo. Los estudios experimentales sobre soluciones de polímeros de alto peso molecular revelaron una observación desconcertante: había una aparente discrepancia entre la viscosidad medida de la solución de polímero y la velocidad a la que fluía a través de untubo estrecho. La solución de polímero siempre fluiría más rápido de lo esperado. Además, cuanto más estrecho es el tubo, mayor es esta discrepancia. Esto generó un interés que persiste hasta el día de hoy.
"La dinámica de la capa de agotamiento fue un problema que encontramos muy interesante, pero fue un desafío avanzar con las técnicas experimentales actuales", dice John T. King, el autor correspondiente en el estudio. "Sabíamos que el primer paso tenía que ser eldesarrollo de una técnica que pueda proporcionar nueva información ".
Utilizando su experiencia en microscopía de súper resolución, Seongjun Park, el primer autor del estudio, desarrolló una novedosa adaptación de microscopía de reducción de emisión estimulada STED que tiene suficiente resolución espacial y sensibilidad de contraste para observar directamente las capas de reducción.Con el tiempo, Anisha Shakya, coautora del estudio, aplicó su conocimiento de la física de polímeros para optimizar un sistema de imagen adecuado. El equipo decidió que el mejor enfoque sería aplicar la imagen de anisotropía STED recientemente desarrollada a una solución de alto molecularpolímero de peso, sulfonato de poliestireno PSS, que fluye a través de canales microfluídicos de sílice de 30 μm de ancho.
El comportamiento de PSS se rastreó con la ayuda de tintes fluorescentes. Las interacciones transitorias entre las cadenas laterales de PSS y el tinte ralentizan el movimiento de rotación de la molécula de tinte. Estos pequeños cambios revelan la posición y concentración de PSS con una resolución espacial de 10s denanómetros
Los investigadores confirmaron primero la formación de capas de agotamiento en la pared y midieron que las dimensiones de la capa de agotamiento eran consistentes con el tamaño del PSS. Luego observaron que el grosor de la capa de agotamiento se redujo cuando la solución comenzó a fluir. Curiosamente, los cambiosa la dimensión de la capa de agotamiento solo aparece después de una velocidad de flujo crítica que corresponde a cambios conocidos en la conformación del polímero. Esta fue la primera confirmación experimental directa de este fenómeno, que se predijo a partir de simulaciones de dinámica molecular hace años.
Sorprendentemente, también se observó que los cambios en la composición de la capa de agotamiento se producen a velocidades de flujo inesperadamente bajas. En particular, los segmentos de polímero se separan de la pared, dejando un disolvente casi puro, sin polímeros, cerca de la pared. Esto puede seratribuido a las fuerzas de elevación hidrodinámicas, como la elevación aerodinámica en los aviones, que surgen del flujo asimétrico en la pared. Mientras que la elevación hidrodinámica se ha caracterizado bien en simulaciones por computadora y se ha observado en sistemas macroscópicos por ejemplo, las platijas luchan contra esta elevación mejor que otrasanimales debido a su forma más plana, las observaciones experimentales directas en escalas de longitud nanoscópica han permanecido esquivas.
Se anticipa que este enfoque prometedor puede proporcionar nueva información sobre fluidos complejos bajo flujo en diferentes regímenes, como el flujo turbulento, como lo que se ve en ríos que fluyen rápidamente, o fluir a través de dispositivos nanofluídicos.
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Básicas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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