Investigación Slick dice fluidos se deslizan en los sólidos, dependiendo de la velocidad

Champaign, Ill. - Cuando se trata de predecir las condiciones de frontera de los líquidos que fluyen sobre las superficies sólidas, los libros de texto son todo mojado, dicen los investigadores de la Universidad de Illinois.

¿Cómo se comportan los fluidos en las superficies extremadamente lisas que es importante en este tipo de aplicaciones de alta tecnología como el movimiento de materiales a través de dispositivos de microfluidos y engrase de discos duros de ordenador.

"Descubrimos que si las superficies son lisas suficiente, y si el líquido se mueve lo suficientemente rápido, el líquido se deslice sobre la superficie como patines de hielo que se deslizan sobre el hielo", dijo Steve Granick, un profesor de ciencia de los materiales en la interfaz de usuario e investigador el Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz en el campus.

Los líquidos pueden ser atraídos mal a una superficie sólida - como cuentas de agua en un coche recién encerado - o pueden ser atraídos fuertemente - al igual que el aceite de cocina en una vieja sartén de hierro. Un principio básico de la dinámica de fluidos de libros de texto - llamada la condición de frontera "no-slip" - dice que una capa de moléculas de fluido que fluye a través de una superficie sólida será atrapado en su lugar, independientemente de la fuerza de atracción.

"Al estar de pie en la ducha, por ejemplo, la condición de frontera no deslizante dice que las moléculas de agua más cercanos a tu piel en realidad se adhieren a usted y venir a descansar", dijo Granick. "Las moléculas de una capa de distancia se moverá un poco, aquellos un poco más lejos se moverá un poco más rápido, y así sucesivamente, hasta que el agua está corriendo libremente de su cuerpo. Esto también explica por qué las grandes partículas de polvo se pueden soplar fuera anteojos sucios, pero trozos más pequeños se deben limpiar - una capa delgada de aire al lado de la lente no se mueve ".

Para explorar la condición de frontera no deslizante, Granick y estudiante de doctorado Yingxi (Elaine) Zhu colocan gotas de líquido entre las superficies lisas de mica molecularmente dentro de un aparato de las fuerzas de superficie modificada. Separación de la superficie se midió utilizando la interferometría óptica y las fuerzas dinámicas se midieron utilizando métodos piezoeléctricos. Los hallazgos del equipo fueron publicados en la edición 27 de agosto de Physical Review Letters.

Por primera recubrimiento de la mica con un suave monocapa de octadecyltriethoxysiloxane, los investigadores estudiaron el comportamiento de dos fluidos diferentes - tetradecano (un aceite) y agua. Cada gota se apretó hasta que el líquido era sólo unas pocas capas de espesor. No sólo ninguna de las capas, ya sea en "stick" fluido a la superficie (como libros de texto afirmar que debería), la cantidad de deslizamiento depende de la velocidad del fluido.

Los investigadores también vieron el mismo efecto cuando, en lugar de modificar primero la superficie sólida, se añaden moléculas de jabón como al líquido que fluye.

"El tensioactivo migra a la superficie donde se formó un revestimiento liso que disminuye la atracción del líquido para que la superficie", dijo Granick. "Esto significa que podemos lograr el mismo objetivo de lubricación, sin pasar por los complicados protocolos de producción de una superficie perfecta."

Esto podría ser una manera fácil y de bajo costo para ahorrar energía en el transporte de fluidos a través de tuberías, y para reducir la fricción en los motores y maquinaria, dijo Granick. "Habrá muchas otras aplicaciones en el futuro, cuando sepamos más acerca de la manipulación de la condición de frontera no deslizante."