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為什么有些流體的流動速度，比預(yù)期的要快？

2019-09-25 13:44 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

無論是石油通過管道噴涌而出，還是血液通過動脈循環(huán)，液體如何通過管道流動可能是流體動力學(xué)中最基本的問題。所面臨的挑戰(zhàn)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“復(fù)雜液體”，會促使更快、更有效的運輸。據(jù)推測，這一現(xiàn)象是由于在管內(nèi)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于本體溶液。

然而，由于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(lǐng)域的進展嚴重依賴于體積測量和計算機模擬?；A(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)軟物質(zhì)和生命物質(zhì)中心的研究人員，通過成功地成像流經(jīng)微通道聚合物溶液中的耗盡層，在該領(lǐng)域取得了重大進展。其研究研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，依靠一種新型超分辨率顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，研究人員得以以前所未有的空間 ?分辨率觀察這一層。

對這一現(xiàn)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(xiàn)象：聚合物溶液測量粘度與流經(jīng)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(yù)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(xù)到今天。發(fā)現(xiàn)耗盡層動力學(xué)是一個非常有趣的問題，但要用現(xiàn)有實驗技術(shù)取得進展是很有挑戰(zhàn)性的，第一步需要開發(fā)一種能夠提供新信息的技術(shù)。

利用在超分辨率顯微鏡方面的專業(yè)知識，開發(fā)了一種新型的模擬發(fā)射損耗(STED)顯微鏡，該顯微鏡具有足夠的空間分辨率和對比度敏感度，可以直接觀察損耗層。與此同時，運用聚合物物理學(xué)知識優(yōu)化了一個合適的成像系統(tǒng)。最好方法是將新開發(fā)的STED各向異性成像應(yīng)用于高分子量聚合物聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）溶液，流經(jīng)30微米寬的二氧化硅微流體通道。利用熒光染料跟蹤PSS的行為，PSS側(cè)鏈與染料之間的瞬態(tài)相互作用減緩了染料分子旋轉(zhuǎn)運動。這些微小的變化揭示了PSS的位置和濃度，空間分辨率為10s納米。

研究人員首先確認了在壁面形成了耗盡層，并測量了耗盡層的尺寸與PSS大小一致。然后觀察到，當(dāng)溶液開始流動時，耗盡層的厚度變薄了。有趣的是，只有當(dāng)聚合物構(gòu)象發(fā)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(xiàn)象的首次直接實驗證實，這是多年前通過分子動力學(xué)模擬預(yù)測出來的。令人驚訝的是，還觀察到，耗盡層組成變化發(fā)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?nèi)軇?，沒有聚合物，靠近壁。

這可以歸因于水動力升力，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征，并在宏觀系統(tǒng)中被觀察到(例如，比目魚由于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(xiàn)。預(yù)計這種有前途的方法可以提供關(guān)于不同狀態(tài)下復(fù)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。