Viscosità e velocità dei liquidi. Nuove scoperte

Recenti ricerche hanno dimostrato che, in determinate condizioni, liquidi più viscosi fluiscono più velocemente di liquidi meno viscosi

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È ampiamente noto che i liquidi densi e viscosi, per esempio il miele, scorrono più lentamente rispetto ai liquidi con bassa viscosità, come l’acqua. È stata quindi una sorpresa, per gli scienziati, scoprire che questo comportamento viene totalmente capovolto quando i liquidi fluiscono all’interno di capillari trattati chimicamente. Infatti, dentro questi particolari capillari, i liquidi migliaia di volte più viscosi, fluiscono molto più velocemente.

La velocità con la quale liquidi differenti fluiscono attraverso dei capillari è importante per un vasto spettro di applicazioni, che vanno dai processi industriali (raffinerie di petrolio) ai sistemi biologici, come il cuore umano. Di solito, quando si vuole incrementare la velocità di un liquido all’interno di un tubo, si alza la pressione sul liquido stesso. Una tecnica, questa, che presenta dei limiti; per esempio, c’è un limite alla pressione massima applicabile, oltre la quale si rischia di rompere il tubo. Questa situazione si verifica soprattutto nei tubi stretti e sottili, come quelli utilizzati nella microfluidica per la produzione di medicine e di altri composti chimici complessi. Pertanto, gli scienziati stanno orientando le loro ricerche per cercare di incrementare la velocità di flusso dei liquidi attraverso tubi stretti, senza dover necessariamente incrementare la pressione sul liquido.

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In un articolo pubblicato in questi giorni su Science Advances, è stato dimostrato che, rivestendo l’interno dei tubi con composti che respingono i liquidi, è possibile far fluire dei liquidi viscosi a una velocità più elevata rispetto ai liquidi con bassa viscosità.

Vengono create delle superfici superidrofobiche, costituite da minuscole protuberanze che catturano l’aria all’interno del rivestimento, in modo che una goccia di liquido che si depositi sulla superficie, si trovi come su un cuscino d’aria. Questi rivestimenti, di per sé, non accelerano il flusso dei liquidi più viscosi. Mettendo su una superficie superidrofobica rivestita una goccia di miele e una di acqua, e inclinando la superficie per attivare il movimento delle due gocce, si vede che l’acqua, a viscosità inferiore, fluisce più velocemente.

La situazione è completamente diversa quando una goccia è confinata in uno di quei tubi strettissimi utilizzati nella microfluidica. In questo sistema, il rivestimento superidrofobico sulle pareti del tubo crea un piccolo distanziamento di aria tra la parete interna del tubo e la superficie esterna della goccia. I ricercatori hanno scoperto che, quando una goccia è confinata in un capillare superidrofobico sigillato, il gap di aria attorno alla goccia è più ampio per i liquidi più viscosi. Questo gap di aria più ampio è ciò che permette ai fluidi viscosi di fluire attraverso il tubo più velocemente rispetto ai liquidi meno viscosi, quando il flusso avviene per effetto della gravità.

L’effetto ha un’importanza abbastanza rilevante. Gocce di glicerolo, una sostanza migliaia di volte più viscosa dell’acqua, fluiscono attraverso il capillare con velocità decine di volte superiori rispetto alle gocce di acqua. I ricercatori hanno filmato il moto delle gocce attraverso il tubo, tracciando non solo con quale velocità il liquido si muove attraverso il tubo, ma anche in che modo il liquido fluisce dentro le gocce. Per i liquidi viscosi, il liquido dentro la goccia si muove con difficoltà, mentre nelle gocce con una viscosità più bassa è stato rilevato un moto veloce più vario.

L’aspetto cruciale della scoperta è che i liquidi meno viscosi sono riusciti a penetrare dentro il cuscinetto d’aria che circonda le gocce, creando attorno a queste uno spazio d’aria più sottile. Con meno aria disponibile da comprimere, oltre le gocce a bassa viscosità, queste sono costrette a muoversi dentro il tubo con una velocità inferiore rispetto a quella delle gocce più viscose.

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Il gruppo di ricerca ha sviluppato un modello fluidodinamico, che può essere utilizzato per prevedere in che modo le gocce potrebbero muoversi dentro dei capillari ricoperti da differenti strati di materiale superidrofobico. Si spera che la ricerca futura su questi sistemi possa avere delle significative applicazioni nella microfluidica, una nuova tecnica di ingegneria chimica, utilizzata per controllare, in maniera molto precisa, i liquidi in piccole quantità e nella produzione di sostanze chimiche complesse, come i medicinali. Riuscendo a prevedere in che modo i rivestimenti possano essere utilizzati per modificare il flusso del fluido, questi stessi rivestimenti possono essere utili per gli ingegneri impegnati nello sviluppo di nuovi sistemi di microfluidica.

Fonte: phys.org