Partnerskab giver bedre instrumentering og muliggør bedre viden om komplekse væsker

Har du nogensinde spekuleret på, hvorfor du skal ryste din flaske ketchup eller sennep, før du hælder? Eller hvorfor, at komme ud af kviksand, skal du bevæge dig langsomt? Eller hvorfor du kan løbe på overfladen af ​​en suspension af majsstivelse i vand, men du ville synke, hvis du prøvede at gå på den?

Det fælles træk ved alle disse gåde er ikke-newtoniske væsker, hvis mekaniske egenskaber ændrer sig afhængigt af niveauet og typen af ​​kraft, der påføres dem. De mødes hele tiden i dagligdagen, men de fleste ved ikke, hvor højt konstruerede de kan være, med omhyggeligt formulerede partikler, polymerer og andre additiver for at give dem den ønskede strømningsadfærd.

"For at designe disse væsker, du er nødt til at forstå de samme egenskaber både fra en applikations- og behandlingsmæssig synsvinkel, "sagde Matthew Helgeson, en professor i UC Santa Barbara Department of Chemical Engineering. "For eksempel, krydderier er designet til at være tykke, så du kan få dem ud af flasken og sprede dem på din sandwich uden at løbe over det hele, men samtidig skal de hurtigt kunne blandes og tappes på flaske, når de laves på fabrikken. "

På trods af deres allestedsnærværende brug, disse og andre komplekse væsker er udfordrende at konstruere, fordi forholdet mellem mikroskopisk adfærd og strømningsegenskaber er svært at observere, sagde Helgeson. På et makroskopisk niveau er det let at se, hvordan materialet reagerer på stress, men hvad der sker strukturelt, når det reagerer på kraft, forbliver noget af et mysterium.

Imidlertid, at ingeniørproblemet er ved at ændre sig. I et partnerskab med den østrigske producent af laboratorieinstrumenter Anton Paar, Helgesons laboratorium har udviklet nye målemetoder til en specialiseret, state-of-the-art reometer, der ikke kun giver forskere mulighed for at karakterisere den mekaniske adfærd af ikke-newtonske væsker og bløde stoffer, men også for at være vidne på det mikroskopiske niveau, hvordan væsken og strukturer flyder og deformeres som reaktion på stress. Den viden, der genereres ved denne type instrumentering, vil have brede anvendelser inden for akademisk og industriel forskning.

Et typisk rheometer består normalt af to overflader i bevægelse, såsom koncentriske cylindre, der roterer for at få væsken til at deformere. Ved at måle den kraft, der kræves for at rotere cylindrene, det er muligt at bestemme væskens mekaniske egenskaber. Det er normalt umuligt at se strømmen i disse geometrier, og derfor antages det, at mængden af ​​deformation i væsken mellem overfladerne er den samme overalt, som det er tilfældet for en newtonsk væske, f.eks. vand.

Ikke så med mange ikke-newtoniske væsker, ifølge Helgeson.

”Det bliver meget mere kompliceret, "sagde han." Typisk sker det, at du får en lille region, der giver efter, så den flyder, og alt andet er bare at sidde der eller bevæge sig meget langsomt. "Mere kraft er ikke altid lig med mere flow, han tilføjede, indtil det udbyttede område vokser for at fylde væskemængden.

"Denne overgang, der går fra ikke at flyde til at flyde, er vigtig for en lang række komplekse væsker, "sagde Helgeson. Og detaljerne om flow i denne proces, forklarede han, er ofte utilgængelige for reometre, som typisk kun er følsomme over for væsken, der strømmer lige ved overfladerne.

"Et af fremskridtene med denne instrumentering, vi har udviklet med Anton Paar, er evnen til direkte at visualisere, hvad der foregår i strømmen, "Sagde Helgeson. Ved hjælp af laseroptik og lysspredende partikler, forskere vil kunne spore væskedeformationen og bruge den til at forstå, hvad der sker i væskens mikrostruktur.

"Hvis du vil konstruere disse væsker, du har virkelig brug for at kunne karakterisere, hvad der foregår i strømmen for at forårsage det makroskopiske svar, du måler, " han sagde.

Efterhånden som fremstillingsmetoder og materialer bliver mere sofistikerede, denne viden bliver væsentlig. For eksempel, at kunne bruge nye og forskellige typer materialer til 3D -printere og additiv fremstilling, det anvendte kolloidale og polymere blæk skal let kunne strømme gennem dysen, men alligevel hærde fejlfrit for at opnå den ønskede struktur.

Ifølge Helgeson, partnerskabet med Anton Paar er usædvanligt, idet UCSB -forskere er med til at skabe nye instrumenterings- og målemetoder, før de bliver kommercielt tilgængelige.

"I den forstand, partnerskabet er virkelig en tovejsgade, "sagde han." Det nye rheometer giver os state-of-the-art målefunktioner, og samtidig leverer vi nye værktøjer og analyser, som andre i det videnskabelige og industrielle samfund kan bruge. "

Polymerer, for eksempel, som dem, der bruges i displays, organisk solcelle og fleksibel elektronik, nødt til at have perfekte molekylære og atomiske arrangementer for at være effektive, så fremstillingsteknikker, der involverer flow, skal forbedres for at opnå bedre ydeevne og lavere omkostninger.

"Du sætter disse polymerer igennem alle former for ekstrudering, injektions- og belægningsprocesser, som har potentiale til at frembringe defekter i materialet, der kommer fra strømningsustabilitet, "Sagde Helgeson. De nye rheometerværktøjer, som Helgeson og Anton Paar i fællesskab udvikler, vil muliggøre mere direkte måling af disse ustabilitet.

"Det er virkelig, hvad dette partnerskab og det nye instrument handler om:at være i stand til ikke kun at komme med nye teknikker, men også drive deres brug og forståelse til at løse nogle af disse problemer, "forklarede han.