Nieoczekiwane zachowanie mikrokropel

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie odkryli nowe zjawisko związane z dynamiką płynów. Pojawia się ono podczas przepływu drobnych kropel przez niektóre układy mikrofluidyczne. "Zaobserwowany przez naszą grupę efekt jest związany ze zmianami wirów wewnątrz mikrokropelek i na razie nie jest przewidywany przez modele teoretyczne", mówi dr Sławomir Jakieła z IChF PAN. Wyniki badań, realizowanych dzięki grantowi TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, opublikowano właśnie w prestiżowym czasopiśmie fizycznym "Physical Review Letters".

Układy mikroprzepływowe to miniaturowe reaktory chemiczne rozmiarów karty kredytowej, a nawet mniejszych. Wewnątrz układów, przez kanaliki o średnicach rzędu dziesiątych lub setnych części milimetra, płynie laminarnie ciecz nośna (najczęściej olej), w której unoszą się mikrokrople właściwych substancji chemicznych.

"Za pomocą jednego układu mikroprzepływowego już dziś można przeprowadzić nawet kilkadziesiąt tysięcy różnych reakcji chemicznych dziennie. W przyszłości układy te staną się dla chemii tym, czym dla elektroniki okazały się układy scalone. Jednak zanim zbudujemy urządzenia chemiczne równie rewolucyjne jak krzemowe mikroprocesory, musimy dokładnie poznać wszystkie zjawiska fizyczne zachodzące podczas przepływu mikrokropel", stwierdza dr Jakieła.

Przepływy, z którymi spotykamy się na co dzień, są często zdominowane przez bezwładność i turbulencje. Przy małych objętościach, typowych dla układów mikrofluidycznych, przepływ cieczy jest laminarny i rządzą nim efekty związane z lepkością.

Prędkość oleju płynącego laminarnie w mikrokanalikach nie jest jednorodna. Najwolniej poruszają się warstwy przy ściankach, najszybciej - te znajdujące się w pobliżu środka kanału. "Jeśli mikrokropla jest wyraźnie mniejsza od średnicy kanału, może się ulokować w centralnej części przepływu. Jej prędkość jest wtedy nawet dwukrotnie większa od średniej prędkości przepływu oleju. To nic zaskakującego. Podobny efekt obserwujemy choćby w rzekach: przy brzegach nurt jest dużo wolniejszy niż pośrodku", wyjaśnia doktorantka Sylwia Makulska z IChF PAN.

Jeśli dostateczne duża kropla płynie przez kanalik o przekroju kolistym, wypełnia jego całe światło. Prędkość kropli jest wtedy taka sama jak prędkość przepływu oleju. Sytuacja staje się znacznie ciekawsza, gdy kropla znajduje się w kanaliku o przekroju prostokątnym. Wskutek napięcia powierzchniowego mikrokropla pozostaje zaokrąglona. Nie wypełnia więc całego przekroju kanału i w jego narożnikach nadal płynie olej.

Zespół z IChF PAN wytwarzał mikrokrople z mieszaniny wody i gliceryny, o różnych stężeniach, a co za tym idzie o różnej lepkości. Płynęły one w oleju (heksadekanie) przez kanał długości 10 cm, o przekroju prostokątnym. Badacze mierzyli prędkość przepływu mikrokropel względem oleju w zależności od ich objętości (długości w mikrokanale), lepkości kropel i oleju oraz prędkości przepływu cieczy nośnej.

Gdy krople miały lepkość mniejszą lub porównywalną z lepkością cieczy nośnej, prędkość ich ruchu względem oleju okazała się maleć wraz ze wzrostem długości kropli, lecz tylko w pewnym zakresie. Krople poruszały się najwolniej, gdy ich długość była dwu-, trzykrotnie większa od szerokości kanału. "Minimum prędkości względnej kropli w stosunku do oleju pojawiało się zawsze. Wszystko wydawało się być zgodne z oczekiwaniami teoretyków", mówi Jakieła.

Naprawdę ciekawe rzeczy zaczęły się dziać, gdy badacze zaczęli zmieniać prędkość przepływu oleju. Okazało się, że wraz ze wzrostem tej prędkości minimum prędkości względnej kropli względem oleju zanikało. Lecz gdy prędkość oleju dalej zwiększano, minimum pojawiało się ponownie - głębsze i szersze. "Mówiąc prościej: odkryliśmy, że w zależności od prędkości przepływu oleju, kropla tej samej długości może płynąć w jednych warunkach szybciej względem oleju, a w innych wolniej", wyjaśnia Jakieła.

Aby sprawdzić, skąd wynika zaskakujące zachowanie mikrokropel, naukowcy z IChF PAN wprowadzili do nich znaczniki fluorescencyjne rozmiaru kilku mikrometrów. Gdy krople przepływały przez mikrokanał, oświetlano je laserem, który pobudzał znaczniki do świecenia. Dzięki temu można było obserwować ruchy płynu wewnątrz kropel.

Pomiary ujawniły, że gdy wzrasta prędkość cieczy nośnej, rozkład wirów wewnątrz kropli zaczyna się zmieniać. "Spodziewaliśmy się zmian, ale dotychczasowe teorie sugerowały, że liczba wirów w mikrokroplach będzie tym mniejsza, im szybciej płynie olej. Tymczasem my zaobserwowaliśmy zjawisko odwrotne: im szybciej płynął olej, tym w kropli było więcej wirów. Przyroda kolejny raz sprawiła psikusa teoretykom", stwierdza prof. nzw. dr hab. Piotr Garstecki z IChF PAN.

W Instytucie Chemii Fizycznej PAN ruszyły już pierwsze prace zmierzające do wykorzystania nowego zjawiska w procesach związanych z mieszaniem zawartości mikrokropel w układach mikrofluidycznych.