• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Zaskakujące właściwości mikrokropel w małych reaktorach chemicznych

    02.04.2012. 08:04
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Naukowcy z Instytuty Chemii Fizycznej PAN w Warszawie odkryli zaskakujące właściwości kropli substancji chemicznych płynących w miniaturowych reaktorach chemicznych, czyli tzw. układach mikroprzepływowych - poinformował IChF PAN w przesłanym PAP komunikacie.

    Jak wyjaśnia dr Sławomir Jakieła z IChF PAN za pomocą jednego układu mikroprzepływowego już dziś można przeprowadzić nawet kilkadziesiąt tysięcy różnych reakcji chemicznych dziennie.

    "W przyszłości układy te staną się dla chemii tym, czym dla elektroniki okazały się układy scalone. Jednak zanim zbudujemy urządzenia chemiczne równie rewolucyjne, jak krzemowe mikroprocesory, musimy dokładnie poznać wszystkie zjawiska fizyczne zachodzące podczas przepływu mikrokropel" - stwierdza dr Jakieła.

    Efekt zaobserwowany przez warszawskich uczonych jest związany ze zmianami wirów wewnątrz mikrokropelek i na razie nie jest przewidywany przez modele teoretyczne.

    Układy mikroprzepływowe to miniaturowe reaktory chemiczne rozmiarów karty kredytowej, a nawet mniejszych. Wewnątrz układów, przez kanaliki o średnicach wielkości dziesiątych lub setnych części milimetra, płynie ciecz nośna (najczęściej olej), w której unoszą się mikrokrople substancji chemicznych.

    Prędkość oleju płynącego w mikrokanalikach nie jest jednorodna. Najwolniej poruszają się warstwy przy ściankach, najszybciej - te znajdujące się w pobliżu środka kanału. "Jeśli mikrokropla jest wyraźnie mniejsza od średnicy kanału, może się ulokować w centralnej części przepływu. Jej prędkość jest wtedy nawet dwukrotnie większa od średniej prędkości przepływu oleju. To nic zaskakującego. Podobny efekt obserwujemy choćby w rzekach: przy brzegach nurt jest dużo wolniejszy niż pośrodku" - wyjaśnia doktorantka Sylwia Makulska z IChF PAN.

    Jeśli dostateczne duża kropla płynie przez kanalik o przekrojukolistym, wypełnia jego całe światło. Prędkość kropli jest wtedy taka sama, jak prędkość przepływu oleju. Sytuacja staje się znacznie ciekawsza, gdy kropla znajduje się w kanaliku o przekroju prostokątnym. Wskutek napięcia powierzchniowego mikrokropla pozostaje zaokrąglona. Nie wypełnia więc całego przekroju kanału i w jego narożnikach nadal płynie olej.

    Zespół z IChF PAN wytwarzał mikrokrople z mieszaniny wody i gliceryny, o różnych stężeniach, a co za tym idzie o różnej lepkości. Płynęły one w oleju przez kanał o przekroju prostokątnym. Badacze mierzyli prędkość przepływu mikrokropel względem oleju w zależności od ich objętości, lepkości kropel i oleju oraz prędkości przepływu cieczy nośnej.

    Gdy krople miały lepkość mniejszą lub porównywalną z lepkością cieczy nośnej, prędkość ich ruchu względem oleju okazała się maleć wraz ze wzrostem długości kropli, lecz tylko w pewnym zakresie. Krople poruszały się najwolniej, gdy ich długość była dwu-, trzykrotnie większa od szerokości kanału. "Minimum prędkości względnej kropli w stosunku do oleju pojawiało się zawsze. Wszystko wydawało się być zgodne z oczekiwaniami teoretyków" - mówi Jakieła.

    Naprawdę ciekawe rzeczy zaczęły się dziać, gdy badacze zaczęli zmieniać prędkość przepływu oleju. Okazało się, że wraz ze wzrostem tej prędkości minimum prędkości względnej kropli względem oleju zanikało. Lecz gdy prędkość oleju dalej zwiększano, minimum pojawiało się ponownie - głębsze i szersze.

    "Mówiąc prościej: odkryliśmy, że w zależności od prędkości przepływu oleju, kropla tej samej długości może płynąć w jednych warunkach szybciej względem oleju, a w innych wolniej" - wyjaśnia Jakieła.

    Pomiary ujawniły, że gdy wzrasta prędkość cieczy nośnej, rozkład wirów wewnątrz kropli zaczyna się zmieniać. "Spodziewaliśmy się zmian, ale dotychczasowe teorie sugerowały, że liczba wirów w mikrokroplach będzie tym mniejsza, im szybciej płynie olej. Tymczasem my zaobserwowaliśmy zjawisko odwrotne: im szybciej płynął olej, tym w kropli było więcej wirów. Przyroda kolejny raz sprawiła psikusa teoretykom" - stwierdza prof. Piotr Garstecki z IChF PAN.

    W Instytucie Chemii Fizycznej PAN ruszyły już pierwsze prace zmierzające do wykorzystania nowego zjawiska w procesach związanych z mieszaniem zawartości mikrokropel w układach mikrofluidycznych.

    Wyniki badań, realizowanych dzięki grantowi TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, opublikowano właśnie w prestiżowym czasopiśmie fizycznym "Physical Review Letters".

    PAP - Nauka w Polsce

    ekr/ agt/bsz


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Prędkość naddźwiękowa (supersoniczna) – w aerodynamice prędkość obiektu lub przepływu, poruszającego się szybciej niż prędkość dźwięku w powietrzu (przy temp. +20 °C = 340 m/s). Prędkości ponad pięciokrotnie większe od prędkości dźwięku często nazywane są prędkościami hipersonicznymi. Prędkość wody – prędkość cząstki wody w cieku wodnym. Zwykle jest wyrażana w metrach lub w centymetrach na sekundę. Czynnikami wpływającymi na prędkość wody są ukształtowanie powierzchni i kąt nachylenia terenu, w jakim znajduje się ciek wodny oraz rodzaj i wielkość cieku. Woda płynąca zazwyczaj ma mniejszą prędkość przy krawędziach i na dnie cieku natomiast największą prędkość odnotowuje się w środku cieku. Ze względu na skutki przepływu prędkość wody może być: Filtr oleju przegrodowy filtruje olej podczas jego przepływu przez przegrodę wykonaną z materiału porowatego, zdolnego do zatrzymania zanieczyszczeń.

    Przepływ naddźwiękowy - przepływ z prędkością większą niż prędkość rozchodzenia się dźwięku. Zachodzi m.in. w niektórych urządzeniach przepływowych. Przykładem może być dysza de Lavala. Dławienie jest zjawiskiem zmniejszenia się ciśnienia płynu przy przepływie przez przeszkodę w postaci zwężenia przekroju (np. przez zawór lub tarczę z otworem zainstalowana w przewodzie). Przy przepływie przez przewężenie prędkość płynu (szczególnie gazów) zwiększa się ciśnienie i temperatura spadają. Za przewężeniem prędkość strugi gazu zmniejsza się na skutek tarcia wewnętrznego. Równocześnie podwyższa się temperatura i w pewnym stopniu ciśnienie, jednak nie osiąga ona wartości występującej przed przewężeniem.

    Prędkość wylotowa jest to prędkość, z jaką pocisk opuszcza lufę po wystrzale. Obliczana jest metodami balistyki wewnętrznej. Mierzy się ją względem lufy. Jest ok 1% mniejsza niż prędkość początkowa pocisku. Prędkość ekonomiczna – prędkość (w sensie fizycznym: szybkość ruchu), która umożliwia przebycie najdłuższej trasy przy jak najmniejszym koszcie. Aby mówić o prędkości ekonomicznej musimy mieć zdefiniowane:

    Balometr – przyrząd służący do mierzenia prędkości oraz przepływu gazów, zwłaszcza powietrza w instalacjach wentylacji i klimatyzacji. Odmiana anemometru. Pozwala na szybki pomiar przepływu bez konieczności stosowania metody Log Czebyszewa. Składa się z kaptura pomiarowego osadzonego na specjalnie zaprojektowanym zestawie czujników. W zależności od rozwiązania konstrukcyjnego wartość przepływu objętościowego uzyskuje się na podstawie prędkości przepływu, kompensacji spadku ciśnienia. Przepływ laminarny jest to przepływ uwarstwiony w którym płyn przepływa w równoległych warstwach, bez zakłóceń między warstwami. Przepływ taki zachodzi przy odpowiednio małej prędkości przepływu. Graniczną prędkość przepływu, przy której ruch laminarny przechodzi w turbulentny można dla określonego płynu i warunków przepływu obliczyć na podstawie liczby Reynoldsa.

    Zmienna prędkość światła (VSL – variable speed of light), to koncepcja, zgodnie z którą prędkość światła w próżni oznaczana jako c, może nie być stała. W większości przypadków w fizyce materii skondensowanej, kiedy światło przechodzi przez ośrodek, jego prędkość fazowa jest mniejsza. Wirtualne fotony w pewnych rozważaniach w ramach kwantowej teorii pola mogą także podróżować z inną prędkością niż c na krótkich dystansach; jednak, nie wynika z tego, że cokolwiek może poruszać się szybciej od światła.

    Prędkość dźwięku w określonym ośrodku – prędkość rozchodzenia się w nim podłużnego zaburzenia mechanicznego.

    Przepływ - ruch płynu, podstawowe pojęcie z zakresu kinematyki płynów. W ujęciu ogólnym przepływ można scharakteryzować tzw. metodą Eulera przez podanie pola prędkości płynu, czyli zależności prędkości od współrzędnych przestrzennych i czasu. Prędkość początkowa - umowna prędkość ruchu postępowego pocisku w momencie jego wylotu z przewodu lufy. Z uwagi na to, że lufa w tym momencie może się również poruszać (siła odrzutu), prędkość wylotowa mierzona jest względem lufy. Wartość prędkości wylotowej jest jedną z podstawowych charakterystyk balistycznych broni palnej, jej wartość jest o ok. 1-2% większa od rzeczywistej prędkości jaką pocisk osiąga w chwili wylotu z lufy tzw. prędkości wylotowej pocisku. Obliczanie prędkości wylotowej należy do głównego zadania balistyki wewnętrznej. Wyznacza się ją mierząc średnią prędkość pocisku na torze lotu poza strefą powylotowego oddziaływania gazów, a następnie ekstrapolując tę wartość metodami balistyki zewnętrznej do wylotu lufy. Waha się w szerokich granicach we współczesnej broni palnej. Dla pistoletów i rewolwerów wynosi ona 200-400 m/s, a dla karabinów i karabinków 800-1000 m/s oraz dla armat przeciwpancernych do ok. 1800 m/s.

    Całkowita liczba zasadowa TBN (Total Basic Number) to parametr charakteryzujący zdolności myjąco - dyspergujące oleju. Wyrażana w mg KOH/g jest to ilość miligramów wodorotlenku potasu, oznaczona jako równoważna pod względem zdolności neutralizacji kwasów dodatkom alkalicznym znajdującym się w 1g ulepszanego oleju smarowego. Liczba zasadowa służy, zatem do oceny zawartości czynnych dodatków alkalicznych w ulepszanych olejach smarowych. Tego rodzaju oleje smarowe stosowane są głównie w silnikach spalinowych wysokoprężnych w celu neutralizowania korozyjnie działających kwasów powstających przy spalaniu siarki zawartej w paliwie. Zdolności neutralizacyjne tych olejów smarowych muszą być tym wyższe, im wyższa jest zawartość siarki w paliwie. W miarę eksploatacji oleju następuje naturalne zużywanie dodatków myjącą-dyspergujących. Konsekwencją tego jest spadek całkowitej liczby zasadowej. Gdy TBN spadnie poniżej określonej granicy, olej należy wymienić. Biegunowa prędkości – krzywa będąca wykresem prędkości w funkcji innej prędkości czyli biegunowa. Opisuje opadanie statku powietrznego cięższego od powietrza w zależności od jego prędkości w poziomym ruchu postępowym (tzw. prędkości postępowej). Opisuje głównie właściwości profilu skrzydła, ale w przypadku całego statku powietrznego wykres ten odzwierciedla zwiększony opór powodowany przez kadłub i inne części, a w związku z tym większe prędkości opadania niż mogłoby mieć samo długie skrzydło. Charakterystyczne punkty biegunowej to:

    Prędkość nadświetlna — określenie dotyczące przemieszczania się obiektu fizycznego z prędkością większą niż prędkość światła. Prędkość radialna – jedna ze składowych prędkości w układzie współrzędnych biegunowych. Jej wartość równa jest prędkości zmian długości promienia wodzącego, a kierunek – wzdłuż promienia wodzącego

    Dodano: 02.04.2012. 08:04  


    Najnowsze