Tourbillons mesurés dans un fluide newtonien simple (à gauche), et dans le même fluide mais avec une seule partie par million de polymère ajouté (à droite). La barre de couleur indique la force du vortex. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Un vortex dans l'atmosphère peut tourner avec suffisamment de puissance pour créer un typhon. Mais des tourbillons plus subtils se forment constamment dans la nature. Beaucoup d'entre eux sont trop petits pour être vus à l'œil nu.
Quand simple, ou les fluides "newtoniens" (comme l'eau) s'écoulent très rapidement ou le long d'un chemin courbe, des tourbillons se forment. Leur formation coûte de l'énergie et augmente "la force de traînée, " de sorte que plus d'énergie est nécessaire pour déplacer un fluide dans la direction souhaitée. Dans les grandes infrastructures comme les oléoducs, l'apport d'énergie supplémentaire nécessaire pour pomper le fluide a un coût financier important. En ajoutant de petites quantités de polymères à l'huile, les scientifiques peuvent réduire l'intensité des tourbillons; l'huile s'écoulera alors à la même vitesse mais avec une pression de pompage réduite, économiser de l'énergie et de l'argent. Alors que ce phénomène est connu depuis les années 1940, de nombreuses questions subsistent sur le fonctionnement exact des polymères.
Bien qu'omniprésent dans l'environnement, les tourbillons se sont avérés difficiles à capturer et à étudier en laboratoire. Récemment, cependant, Des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont créé un moyen d'examiner ces petits tourbillons à l'aide d'un appareil spécialement développé à cet effet. Publié dans la revue Examen physique X , leur article récent examine la formation de tourbillons dans les fluides avec et sans polymères ajoutés.
"Nous pouvons voir des effets très spectaculaires même avec de très faibles concentrations de polymère ajouté, " a déclaré Noa Burshtein, premier auteur sur le papier et un doctorat. étudiant à l'OIST.
En montant le dispositif microfluidique sur un microscope et en ajoutant des microbilles, les chercheurs ont pu visualiser le vortex qui s'est formé au niveau de la section transversale. Les flèches de couleur indiquent le sens du flux à l'intérieur de l'appareil. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
À l'aide d'un appareil "microfluidique" imprimé en 3D - un petit bloc de verre contenant une paire de canaux de croisement microscopiques pas beaucoup plus larges qu'un cheveu humain - les scientifiques ont pu créer un vortex qui pouvait être facilement examiné au microscope. Les chercheurs ont d'abord étudié la formation de tourbillons dans l'eau, à l'aide de particules traceuses, qui permettent aux scientifiques de suivre le mouvement d'un fluide. Prochain, ils ont introduit de minuscules quantités de polymères dans l'eau. Ils ont découvert que l'ajout d'une seule partie par million de polymère aidait le fluide à s'écouler plus facilement.
Les chercheurs de l'OIST ont collaboré avec des collègues de l'Université de Liverpool, qui a effectué des simulations informatiques des expériences pour aider à comprendre comment les polymères - des molécules élastiques qui se comportent un peu comme des ressorts microscopiques - affectent l'écoulement.
Les chercheurs ont utilisé une imprimante 3D pour créer un dispositif microfluidique en verre pour générer des vortex. Crédit :Simon Haward
"A l'aide des simulations, nous avons pu montrer clairement où les polymères s'étirent dans des régions très spécifiques de l'écoulement, et comment cela agit pour supprimer la formation et la croissance du vortex, " a déclaré le Dr Simon Haward, auteur correspondant de l'article et chef de groupe dans l'Unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'OIST.
Leur travail a de nombreuses applications à petite et à grande échelle. Par exemple, de petites quantités de polymères sont utilisées pour améliorer la circulation sanguine chez les patients dont le cœur est affaibli. Ces molécules peuvent également être utilisées pour supprimer la fragmentation des jets, lorsque de nombreuses petites gouttelettes de fluide se forment, ce qui contribue à améliorer la résolution des imprimantes à jet d'encre. Les polymères aident également à supprimer les tourbillons dans les infrastructures à grande échelle, comme les oléoducs et les égouts.
"Notre découverte a également des implications pour l'optimisation des flux dans les dispositifs de laboratoire sur puce en cours de développement pour les applications de diagnostic microfluidique et biomédicales, " a déclaré Amy Shen, professeur de l'Unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'OIST et co-auteur de l'article.
Les scientifiques de l'OIST ont examiné la formation de tourbillons dans les fluides. (De gauche à droite) Simon Haward, Noa Burshtein, et le professeur Amy Shen se tiennent devant leur affiche. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Les scientifiques ont dit qu'ils espèrent s'appuyer sur l'étude dans de futures recherches.
"C'est assez excitant de révéler l'effet du polymère si clairement pour la première fois, " dit Haward.
