科學(xué)家在一系列特別設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中研究了粘彈性流體的奇怪行為

粘彈性流體無處不在，無論是通過你的靜脈，還是通過阿拉斯加石油管道的1300公里長的管道。與牛頓流體(如油或水)不同，粘彈性流體像唾液的粘性鏈一樣伸展。流體中的分子鏈賦予它們超能力，科學(xué)家們?nèi)栽谂α私馑绾斡绊懰鼈兊男袨?。沖繩科學(xué)技術(shù)研究生院(OIST)的研究人員通過展示粘彈性流體如何在波狀表面上流動，讓我們向前邁進(jìn)了一步，結(jié)果出乎意料。“對我來說，這不是直覺。我已經(jīng)使用這些液體將近20年了，”微生物學(xué)/納米流體部門的負(fù)責(zé)人、這項(xiàng)研究的第一作者西蒙哈沃德說。本文于2018年11月5日發(fā)表在《流體物理學(xué)》上，這是三項(xiàng)研究中的第三項(xiàng)，將粘彈性流體的新理論付諸實(shí)踐。

驚人的消失。

當(dāng)水流過光滑的管道時，它的運(yùn)動總是均勻的。然而，當(dāng)水接觸到波浪表面時，它會像波浪上的潮汐一樣破裂。水對破碎波的每一個波峰和波谷都有反應(yīng)，并被拋入漩渦中，這被稱為漩渦。被稱為渦度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在波狀壁附近最為明顯，并在可計(jì)算的距離處消散?？茖W(xué)家們已經(jīng)在水和其他牛頓流體中無數(shù)次目睹了這種情況。但在此之前，從未在粘彈性流體中進(jìn)行過類似的實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)粘彈性流體的性能會有很大的不同。OIST的研究人員著手填補(bǔ)文獻(xiàn)中的這一空白。

最近的理論研究表明，波浪使粘彈性流體像牛頓流體一樣旋轉(zhuǎn)，但有一個關(guān)鍵的區(qū)別。雖然牛頓流體中誘導(dǎo)的渦旋運(yùn)動隨距離衰減，但粘彈性流體中的渦旋實(shí)際上可以在特定距離處被放大。這個放大區(qū)域理論上稱為“關(guān)鍵層”，但還沒有通過實(shí)驗(yàn)觀察到?！斑@個關(guān)鍵層的位置取決于流體的彈性，”霍華德說。他說，一種流體包含的分子鏈或聚合物越多，它就變得越有彈性。流體的彈性越大，臨界層離波形壁越遠(yuǎn)。當(dāng)流體彈性如此之大，臨界層如此之遠(yuǎn)，壁面附近的螺旋渦不再受其影響時，就會出現(xiàn)這種情況?！耙话銇碚f，我們認(rèn)為如果液體的粘彈性更強(qiáng)，你會看到更多奇怪的效果，”霍華德說。"但在這種情況下，當(dāng)流體具有高彈性時，可觀察到的效應(yīng)將消失."

填補(bǔ)知識上的重大空白。

在過去的研究中，微/生物/納米流體單元設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)和特殊設(shè)備來捕獲這些關(guān)鍵層。他們的努力導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的第一個實(shí)驗(yàn)證據(jù)?，F(xiàn)在，研究人員已經(jīng)構(gòu)建了一個詳細(xì)的圖表，描述了當(dāng)通道變寬、波長延長或流體速度增加時，臨界層是如何移動的。哈瓦爾說：“這令人驚訝，因?yàn)檫@個理論似乎違反直覺，但我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測完全相同。“基本上，我們的實(shí)驗(yàn)完全證實(shí)了這個理論?！本C合研究為粘彈性流體的未來研究奠定了堅(jiān)實(shí)的起點(diǎn)。這些彈性流體的基本特性對石油工業(yè)、醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)有直接影響，并有助于塑造我們周圍的世界。通過這項(xiàng)研究，科學(xué)家現(xiàn)在可以開始在他們的計(jì)算中包括關(guān)鍵層，這可能有助于改進(jìn)粘彈性流體在他們研究中的應(yīng)用或找到新的方法。

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