Ny opdagelse i forskydningsfortykkende væsker som vaskemidler

Hvad maler man, opvaskemaskine, ketchup og blod tilfælles? Alle er sammensat af partikler suspenderet i en bærervæske, strøm ved omrøring eller tvang, men forbliver tyk eller endda geleagtig i hvile.

Den meget nyttige adfærd i komplekse væsker kaldes forskydningsfortynding:deres viskositet falder under blanding og øges i hvile. Men visse væsker, når blandingshastigheden stiger-som krævet i mange store industrielle processer-kan passere gennem området med udtynding af forskydning og bevæge sig ind i et område, hvor viskositeten stiger dramatisk, og disse væsker bliver svære eller umulige at omrøre. Denne effekt, kendt som forskydningsfortykning, har været under efterforskning i flere årtier, da ingeniører forsøgte at løse komplekse produktionsproblemer forårsaget af fænomenet.

I slutningen af ​​1980'erne, videnskabsmand Richard L. Hoffman foreslog en simpel model:Når væsker blandes ved lave hastigheder, de suspenderede partikler danner ordnede lag, der let kan glide hen over hinanden, lette flow. Men når de udsættes for høje hastigheder, lagene bliver uordnede og snubler over hinanden, forhindrer flow; denne ændring i typen af ​​flow kaldes "ordre-til-forstyrrelse-overgang." Det er lidt som en uordentlig skare, skubber og blander sig gennem en overbelastet udgang.

Andre forskere var i stand til at observere denne adfærd i mange væsker, men ikke i hver forskydningsfortykende væske. Så, forskere foreslog flere andre modeller for at forklare fænomenet med forskydning af forskydning, men ingen af ​​dem omhandler Hoffmans model.

"Så puslespillet forbliver, hvordan er ordre-til-forstyrrelse af partikler relateret til forskydnings-fortykkende adfærd? Hvorfor sker det kun i visse komplekse væsker? "Sagde Xiao-Min Lin, nanoscientist ved Center for Nanoscale Materials ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory.

Nu, et Argonne-team af nanovidenskabsfolk og fysikere har afsløret dette 30-årige mysterium ved at studere en forskydnings-fortykkende væske med in situ røntgenkarakterisering.

"Kombination af et rheometer, som måler væskens viskositet, med røntgenkarakterisering skaber et unikt instrument, der kan forstå partiklernes struktur, når de bevæger sig i realtid, "sagde Suresh Narayanan, en anden hovedforsker på projektet og fysiker i Time Resolved Research Group i Argonnes røntgenvidenskabelige afdeling.

Holdet har altid mistanke om, at partikeluniformitet kan spille en rolle i dette fænomen. Så Jonghun Lee, den ledende postdoktor i dette projekt, syntetiserede meget ensartede silica -nanopartikler med tre forskellige diametre. Ved hjælp af en specifik ultra-følsom lille-vinkel røntgenspredning (SAXS) teknik ved Argonnes Advanced Photon Source (APS), Lin, Narayanan og deres team - nu udvidet med andre medlemmer af Time Resolved Research Group - målte, hvordan nanopartiklerne flyder som reaktion på en anvendt kraft i realtid.

Gruppens indsats blev belønnet. De meget ensartede suspensioner, der blev skabt af teamet, tillod adskillelse af de to fænomener:overgang til ordensforstyrrelse og normal tykkelse af forskydning. Indtil nu, de havde været umulige at skelne i andre forsøg. De data, der blev indsamlet in situ, viste, at den rækkefølge-til-lidelse-overgang, der blev opdaget i 1980'erne, forekommer i områder med lavere stress, og den jævne forskydningstykkelse forekommer i regioner med højere stress. Med andre ord, disse adfærd er drevet af to separate, uafhængige mekanismer.

"Men når du har ikke-ensartede partikler, disse to adfærd falder sammen i den samme region, gør dem umulige, "Sagde Lee.

Teamet søger nu at forstå den mekanisme, der virkelig bidrager til tykkelse af forskydning. Disse undersøgelser kan føre til applikationer inden for tredimensionel udskrivning, den kemiske industri og det biomedicinske område.

Dette arbejde, med titlen "Afklaring af rollen som ordre-til-uorden-overgang i forskydningstykkende suspensioner, "blev udgivet i et januar -nummer af Fysisk gennemgangsbreve .