Zaskakujące zachowanie cząsteczek w kapilarach

Niespodziewanego odkrycia dokonali naukowcy z Uniwersytetu Bayreuth w Niemczech. Podczas badań przepływu małych cząstek przez kapilarę zaobserwowali oni niespotykaną orientację tych cząsteczek względem kierunku przepływu. Badania przeprowadzono z użyciem źródeł promieniowania X: DORIS III i PETRA III znajdujących się w centrum DESY w Hamburgu. Odkrycie niemieckich naukowców może odegrać dużą rolę w optymalizacji procesu przędzenia włókien syntetycznych i badaniach nad zwężaniem się naczyń krwionośnych.

Cząstki w kształcie prętów lub płytek przepływając przez cienką kapilarę układają się równolegle do kierunku przepływu. I tak to wygląda dopóki cząstki nie napotkają na zwężenie kapilary, po przejściu której natychmiast układają się prostopadle do przepływu. Naukowcy nie tylko zaobserwowali to zjawisko, ale również postarali się o określenie teoretycznych podstaw, z których wynika, że na wyjściu ze zwężenia kapilary pojawiają się takie siły pochodzące od rozszerzenia się przepływu, że zmieniają kąt, pod którym płyną cząstki i, co więcej, po prostopadłym ułożeniu się cząstek trwają w takim układzie do końca przepływu przez kapilarę.

Promienie rentgenowskie dużej mocy pochodzące ze źródła PETRA III, skierowane skupioną wiązką na kapilarę z przepływającymi cząstkami, pozwoliły na obserwację ich niecodziennego zachowania. Naukowcy podczas obserwacji byli w stanie precyzyjnie określić układanie się cząsteczek w czasie przepływu przez kapilarę.

Precyzyjne określenie zjawisk zachodzących przy przepływie kapilarnym jest ważne, aby lepiej poznać wiele technicznych i biologicznych procesów, takich jak np. przędzenie, gdzie roztwór makrocząsteczek jest przetłaczany przez głowicę. Aby otrzymać włókno o dużej wytrzymałości włókna makrocząsteczek (polimeru) muszą się układać równolegle do przepływu. Jak wynika z omawianych badań cząsteczki polimeru układają się poprzecznie do kierunku ruchu na wyjściu z głowicy. To tłumaczy konieczność późniejszego naciągania nici, aby mogły one uzyskać pożądaną wytrzymałość i na całej długości włókna były ułożone wzdłużnie. Dzięki na nowo zaprojektowanym głowicom i całemu procesowi przędzenia będzie można produkować wytrzymalsze włókna, bez dodatkowych czynności.

Innym obszarem, w którym będzie można wykorzystać wyniki badań nad przepływem przez kapilary, jest przepływ białek przez naczynia krwionośne i badania zwężania się tych naczyń.

(pj)