為什麼有些流體的流動速度，比預期的要快？

2020-10-18 博科園

無論是石油通過管道噴湧而出，還是血液通過動脈循環，液體如何通過管道流動可能是流體動力學中最基本的問題。所面臨的挑戰是最大限度地提高運輸效率，最大限度地減少移動液體與固定管表面摩擦所造成的能量損失。與直覺相反，在液體中加入少量大的、緩慢移動的聚合物，從而形成一種「複雜液體」，會促使更快、更有效的運輸。據推測，這一現象是由於在管內壁周圍形成了一層薄層，稱為耗盡層或分裂層，其中聚合物濃度明顯低於本體溶液。

然而，由於這一層的固有厚度只有幾納米厚，按照聚合物的大小順序，直接進行實驗觀察很困難，因此該領域的進展嚴重依賴於體積測量和計算機模擬。基礎科學研究所(IBS)軟物質和生命物質中心的研究人員，通過成功地成像流經微通道聚合物溶液中的耗盡層，在該領域取得了重大進展。其研究研究發表在《美國國家科學院院刊》上，依靠一種新型超解析度顯微鏡技術的發展，研究人員得以以前所未有的空間  解析度觀察這一層。

對這一現象的首次觀察是在近一個世紀前，對高分子量聚合物溶液實驗研究揭示了一個令人困惑的現象：聚合物溶液測量粘度與流經狹窄管道的速度之間存在明顯差異。聚合物溶液的流動速度總是比預期要快。此外，管越窄，這種差異越大，這引起了人們的興趣，這種興趣一直持續到今天。發現耗盡層動力學是一個非常有趣的問題，但要用現有實驗技術取得進展是很有挑戰性的，第一步需要開發一種能夠提供新信息的技術。

利用在超解析度顯微鏡方面的專業知識，開發了一種新型的模擬發射損耗(STED)顯微鏡，該顯微鏡具有足夠的空間解析度和對比度敏感度，可以直接觀察損耗層。與此同時，運用聚合物物理學知識優化了一個合適的成像系統。最好方法是將新開發的STED各向異性成像應用於高分子量聚合物聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）溶液，流經30微米寬的二氧化矽微流體通道。利用螢光染料跟蹤PSS的行為，PSS側鏈與染料之間的瞬態相互作用減緩了染料分子旋轉運動。這些微小的變化揭示了PSS的位置和濃度，空間解析度為10s納米。

研究人員首先確認了在壁面形成了耗盡層，並測量了耗盡層的尺寸與PSS大小一致。然後觀察到，當溶液開始流動時，耗盡層的厚度變薄了。有趣的是，只有當聚合物構象發生已知的變化時，臨界流速才會引起耗盡層尺寸的變化。這是對這一現象的首次直接實驗證實，這是多年前通過分子動力學模擬預測出來的。令人驚訝的是，還觀察到，耗盡層組成變化發生在出乎意料的低流速。特別地，聚合物段被拉離壁，留下幾乎純溶劑，沒有聚合物，靠近壁。

這可以歸因於水動力升力，就像飛機上的空氣動力升力一樣，是由壁面的非對稱流動引起。雖然水動力升力在計算機模擬中已被很好地表徵，並在宏觀系統中被觀察到(例如，比目魚由於其扁平的形狀比其他動物更好地對抗這種升力)，但在納米尺度上的直接實驗觀測仍然難以實現。預計這種有前途的方法可以提供關於不同狀態下複雜流體的新信息，例如湍流，如在快速流動河流中所看到的，或通過納米流體裝置流動。

博科園｜研究/來自：基礎科學研究所

參考期刊《美國國家科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1900623116

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