为什么有些流体的流动速度，比预期的还要快？学术资讯

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无论是石油通过管道喷涌而出，还是血液通过动脉循环，液体如何通过管道流动可能是流体动力学中最基本的问题。所面临的挑战是最大限度地提高运输效率，最大限度地减少移动液体与固定管表面摩擦所造成的能量损失。与直觉相反，在液体中加入少量大的、缓慢移动的聚合物，从而形成一种“复杂液体”，会促使更快、更有效的运输。据推测，这一现象是由于在管内壁周围形成了一层薄层，称为耗尽层或分裂层，其中聚合物浓度明显低于本体溶液。

然而，由于这一层的固有厚度只有几纳米厚，按照聚合物的大小顺序，直接进行实验观察很困难，因此该领域的进展严重依赖于体积测量和计算机模拟。基础科学研究所(IBS)软物质和生命物质中心的研究人员，通过成功地成像流经微通道聚合物溶液中的耗尽层，在该领域取得了重大进展。其研究研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

依靠一种新型超分辨率显微镜技术的发展，研究人员得以以前所未有的空间分辨率观察这一层。对这一现象的首次观察是在近一个世纪前，对高分子量聚合物溶液实验研究揭示了一个令人困惑的现象：聚合物溶液测量粘度与流经狭窄管道的速度之间存在明显差异。

聚合物溶液的流动速度总是比预期要快。此外，管越窄，这种差异越大，这引起了人们的兴趣，这种兴趣一直持续到今天。发现耗尽层动力学是一个非常有趣的问题，但要用现有实验技术取得进展是很有挑战性的，第一步需要开发一种能够提供新信息的技术。利用在超分辨率显微镜方面的专业知识，开发了一种新型的模拟发射损耗(STED)显微镜，该显微镜具有足够的空间分辨率和对比度敏感度，可以直接观察损耗层。

与此同时，运用聚合物物理学知识优化了一个合适的成像系统。最好方法是将新开发的STED各向异性成像应用于高分子量聚合物聚苯乙烯磺酸盐（PSS）溶液，流经30微米宽的二氧化硅微流体通道。利用荧光染料跟踪PSS的行为，PSS侧链与染料之间的瞬态相互作用减缓了染料分子旋转运动。这些微小的变化揭示了PSS的位置和浓度，空间分辨率为10s纳米。研究人员首先确认了在壁面形成了耗尽层，并测量了耗尽层的尺寸与PSS大小一致。

然后观察到，当溶液开始流动时，耗尽层的厚度变薄了。有趣的是，只有当聚合物构象发生已知的变化时，临界流速才会引起耗尽层尺寸的变化。这是对这一现象的首次直接实验证实，这是多年前通过分子动力学模拟预测出来的。令人惊讶的是，还观察到，耗尽层组成变化发生在出乎意料的低流速。特别地，聚合物段被拉离壁，留下几乎纯溶剂，没有聚合物，靠近壁。

这可以归因于水动力升力，就像飞机上的空气动力升力一样，是由壁面的非对称流动引起。虽然水动力升力在计算机模拟中已被很好地表征，并在宏观系统中被观察到(例如，比目鱼由于其扁平的形状比其他动物更好地对抗这种升力)，但在纳米尺度上的直接实验观测仍然难以实现。预计这种有前途的方法可以提供关于不同状态下复杂流体的新信息，例如湍流，如在快速流动河流中所看到的，或通过纳米流体装置流动。

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