Det hele kommer ned til ruhed

Lucio Isa og hans team af forskere har forklaret, hvordan mikrosfærernes overfladeegenskaber påvirker hurtige stigninger i suspensionernes viskositet, derved lægger grunden til applikationer såsom glatflydende cement.

Internettet er fuld af videoer af mennesker, der har det sjovt at køre over hvidt slim. Det ligner næsten, at de gik på vandet. Men når de står stille, de begynder langsomt at synke. Det pågældende slim er normalt en koncentreret suspension omfattende majsstivelse og vand. Selvom det i daglig tale kaldes "oobleck" efter børnebogen af ​​Dr. Seuss, materialeforskere bruger udtrykket "ikke-newtonsk væske". I modsætning til en "normal" (newtonsk) væske, ikke-newtonske væsker kan blive mere viskøse, når de påvirkes af en stor, hurtigt skiftende kraft. Et kort øjeblik, materialet opfører sig som et fast stof. Imidlertid, hvis kraften er konstant og svag, materialet flyder som en normal væske.

"Dette fænomen forekommer i alle suspensioner med høj partikeltæthed, såsom cement, "siger Lucio Isa, Professor i grænseflader, Blødt stof og samling ved ETH Zürich. Hvis cement pumpes for hurtigt gennem et rør på en byggeplads, røret vil tilstoppe.

Højere friktion på grund af ru overflader

Dette skyldes delvist overfladekarakteristika for de faste partikler i suspensionen. "Hvis der pludselig anvendes en kraft, de faste partikler er ude af stand til hurtigt at bevæge sig af vejen. I stedet, de kommer i kontakt, gnide mod og blokere hinanden ", Forklarer Isa. Jo mere ru partikeloverfladen er, jo højere friktion.

Forskere bruger disse egenskaber til at kontrollere den pludselige stigning i viskositet i en tæt suspension på en målrettet måde. I stedet for majsstivelse, Isa og hans kolleger "legede" med uniform, mikrometerstørrelse silikatpartikler med en ru overflade. Partiklerne ligner små hindbær og var allerede blevet brugt af forskerne i tidligere undersøgelser. Chiao-Peng Hsu, en doktorand, der arbejder under Isa og ETH -professor Nicholas Spencer, har udviklet en metode, der giver ham mulighed for hurtigt at generere et bibliotek af disse hindbærformede partikler med forskellige overfladeruheder.

Højere viskositet trods færre partikler

Forskerne brugte disse partikler til at skabe suspensioner, som de kunne teste for pludselige stigninger i viskositet under stress. Resultaterne viste, at jo grovere partiklerne, de færre skulle tilføjes suspensionen for at opnå pludselig størkning. I modsætning, hvis der blev brugt glatte partikler, en større mængde skulle tilføjes suspensionen, før forskerne kunne observere den pludselige fortykkelse.

Forskerne viste, at brugen af ​​ru partikler kunne spare materiale:deres del af det samlede volumen i en suspension kan være væsentligt lavere for at generere den samme effekt.

Når forskerne blandede ru og glatte partikler i en enkelt suspension, størkning forekom også tidligere end i suspensioner med udelukkende glatte partikler. ETH -forskerne opdagede, at så lidt som 6 procent af glatte partikler i en blanding var nok til at reducere stigningen i viskositet betydeligt. "Det er som at blande kuglelejer og tandhjul sammen, "siger Isa." Gearhjulene kæder relativt let sammen for at skabe en stabil kæde, men kuglelejerne bryder let disse kæder og muliggør flow. "

For at undersøge friktionen mellem individuelle partikler, Hsu og hans kollega Shivaprakash Ramakrishna vedhæftede en enkelt, en halv mikrometer partikel på en cantilever af et atomkraftmikroskop. Forskerne flyttede derefter partiklen på tværs af forskellige ru modeloverflader ved at flytte cantilever et par hundrede nanometer, mens de målte hældningsvinklen. Jo stærkere friktion, jo større vinkel. "At arbejde med denne form for partikel på en udligning var ekstremt svært, da dimensionerne er utroligt små, "understreger Hsu." Vi var den første gruppe, der opnåede dette. "

Ansøgninger i skudsikre veste

Om resultaterne vil blive integreret i virkelige applikationer, skal stadig ses. Undersøgelsen er primært ren forskning. "Vores mål var at undersøge de måder, hvorpå vi kan ændre nano og mikrostrukturer for at påvirke materiel adfærd på et makroskopisk niveau, og det lykkedes os "siger Isa. Resultaterne kunne bruges i dagligdags applikationer som cement." Ved at justere overfladerne af granulat og blande dem i cement på en lignende måde som vores eksperiment, man kunne optimere cementens flowegenskaber. "

Men tyktflydende suspensioner med pludselige størkningsegenskaber bruges også til andre formål; for eksempel, en amerikansk producent bruger tyktflydende ophæng til at udvikle kugle- og stiksikre sikkerhedsveste. "Vores undersøgelse kan hjælpe med at forbedre denne slags applikationer, «siger Isa.