Foto: © Oleksiy Mark / Dollar Photo Club
Foto: © Oleksiy Mark / Dollar Photo Club

Geometrie a podivné chování vody v kapilárách

Trubička o určité geometrii se vyprázdní pouze díky kapilárním silám, tedy i bez přítomnosti gravitace.

Dosud se mělo za to, že pokud se úzká trubička naplní vodou a umístí do vodorovné polohy, kapalina v ní zůstane. K velkému překvapení však vědci nyní zjistili, že má-li vnitřní průřez trubičky určitý tvar, voda vyteče.

Mikrofluidika se zabývá vlastnostmi kapalin a jejich ovládáním v tzv. kapilárách čili úzkých trubičkách, které mají submilimetrové rozměry (kapiláry jsou velikostí srovnatelné s buňkami živých organismů). Uplatňuje se v biomedicíně, biologii a zřejmě hraje důležitou roli i v samotné přírodě. Úzce souvisí také s mikroelektro­nikou. Kanálky a další prvky, kterými kapalina protéká, se umisťují na jeden čip spolu s elektronickými obvody, které měří například vlastnosti tekutiny, zpracovávají informace a plní řídicí funkce. Vědcům, kteří se mikrofluidikou zabývají, se nyní podařil převratný objev. Zjistili, že se kapalina v kapilárách může chovat jinak, než se dosud předpokládalo.

Když se úzká trubička naplní vodou a umístí se do vodorovné polohy, měla by v ní voda podle dosavadních poznatků zůstat. Skupina britských a španělských fyziků však zjistila, že pokud má vnitřní průřez kapiláry určitý tvar, například trojúhelníkový nebo tvar stlačené elipsy, trubička se vyprázdní bez ohledu na to, jak je úzká. To by mohlo znamenat, že existuje nový způsob řízení proudění kapalin, který zřejmě využívá i sama příroda.

Tvar tekutiny na konci kapiláry se nazývá meniskus. Ten charakterizuje zakřivení hladiny kapaliny v důsledku interakce se stěnou nádoby. Rovnovážný tvar menisku je dán minimem celkové volné energie kapaliny uzavřené mezi pevnými stěnami trubice. Meniskus může mít různé tvary, od toho běžného, který představuje mírně vypouklou hladinu, přes rovinu, skloněnou rovinu až po průřez tvaru protáhlého „s“, kdy kapalina vytvoří podél spodní strany vodorovné kapiláry útvar podobný jazyku.

Autoři nové práce začali chování kapalin v horizontálních kapilárách zkoumat už před více než osmi lety. Dirk Aarts, profesor chemie na University of Oxford, experimentoval s vlastnostmi a chováním směsí koloidních polymerů v kapilárách tvaru štěrbiny. Zjistil, že meniskus tvořený kapalinou na konci kapiláry má silně propadlý tvar. K Aartsovi se posléze přidal matematik Carlos Rascón z University Carlos III de Madrid a teoretik Andrew Parry z Imperial College London.

Spočítat trojrozměrný tvar menisku je velmi obtížné, vědci proto nejprve zvolili jednodušší 2D výpočet. Ukázali, že pro jednoduchou 2D štěrbinu s 1D meniskem existuje kritická šířka štěrbiny, při které má meniskus nekonečnou délku, což znamená, že kapalina z takové kapiláry vyteče.

Při řešení problému ve 3D vědci výpočet zjednodušili tím, že využili energii potřebnou k vytvoření menisku s konstantním příčným průřezem podél celé trubice, tedy takovou energii, kdy se meniskus vyrovná a kapilára se vyprázdní. Pokud se tato energie blíží k nule, meniskus, způsobující vyprázdnění kapiláry, bude stabilní. Díky této metodě lze nalézt „podmínky pro vyprázdnění“ kapiláry. Ty souvisí s řadou faktorů. V první řadě je to veličina, která určuje, jak silně stěna kapalinu přitahuje nebo odpuzuje (kontaktní úhel), a dále pak tvar a tloušťka kapiláry.

Velkým překvapením pro vědce bylo zjištění, že typ kapaliny, ani materiál, z něhož je kapilára vyrobena, nemají vliv na to, zda kapalina z kapiláry vyteče. Velmi důležitý je však tvar kapiláry. Při průřezu tvaru dostatečně zploštělé elipsy bude kapilára bez ohledu na její tloušťku vždy prázdná, a to pro velmi malý i velmi velký kontaktní úhel. V prvním případě (hydrofilní interakce) „vytahuje“ silná interakce mezi kapalinou a stěnou kapalinu z kapiláry ven. Ve druhém případě (hydrofobní) způsobuje velmi slabá interakce to, že kapalina ven z kapiláry pouze „klouže“.

Výsledky jsou velmi překvapující. Dosud se zdálo být jasné, proč je kapalina schopna ucpat velmi úzkou trubičku a proč nemůže vytéct ven bez ohledu na to, jak je trubice nebo kapilára orientovaná. Nové výsledky však ukázaly, že se velmi úzká trubička může vyprázdnit vždy, pokud má její průřez určitý tvar.

Spontánně se mohou vyprazdňovat také kapiláry s průřezem tvaru rovnostranného trojúhelníku. V tomto případě je však orientace kapiláry důležitá. Studiu podobného chování se věnovali matematici na Stanford University už v roce 2011. Ukázali, že trubička, která má průřez zmrzlinového kornoutu, čili který je nahoře kruhový a dole špičatý, se vyprázdní pouze díky kapilárním silám, tedy bez přítomnosti gravitace. Díky tomuto objevu vědci dokonce získali patent na vynalezení „kosmonautského šálku“.

Výsledky výzkumu jsou nejen zajímavé, ale nesou také silný potenciál pro využití v praxi. Změnu tvaru trubice, jako je například zploštění kruhového průřezu, by bylo možné využít ke spuštění toku kapaliny, a to bez jakýchkoliv změn tlaku. Lákavá je možnost přepínače, který by mohl sloužit pro řízení toků kapalin v síti kapilár. Pracoval by jednoduše, prostřednictvím otáčení trubice s jiným než válcovým průřezem kolem své osy. Je dokonce pravděpodobné, že příroda nás v tomto ohledu opět předběhla a využívá geometrii kapilár k řízení různých toků. Mohlo by jít o změny proudění v krevním řečišti či v listech rostlin a v různě skládaných membránách.

Jana Štrajblová

Převzato z Matfyz.cz.

nástroj z paleolitu, credit (c) University of Tübingen

Nejstarší Španělé nevařili

Kdy naši předkové začali využívat oheň? Názory se různí, někteří uvádějí až 1,8 milionu let, …

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close