Akustisk energi udnyttet til at blødgøre forskydningsfortykkende væsker

Forskere bruger ultralydsbølger til at manipulere viskositeten af ​​forskydningsfortykkende materialer, vende faste stoffer til slush - og tilbage igen.

Studiet, "Brug af akustiske forstyrrelser til dynamisk justering af forskydningsfortykkelse i kolloidale suspensioner, "blev udgivet 17. september i Fysisk gennemgangsbreve .

Forskydningsfortykkende væsker er en klasse af materialer, der flyder som væske, men størkner, når de presses eller skæres hurtigt, såsom kviksand og Oobleck, børns legeslim. Tekniske anvendelser for materialet spænder fra blød kropsrustning og astronautdragter til 3D-trykmetaller og keramik.

Men processen med forskydning af fortykning kan være usamarbejdsvillig:Jo mere du manipulerer med materialet, jo mere det størkner, som i tilfælde af 3-D-tryk og fremstilling af beton kan føre til opslidte dyser og fastklemte beholdere.

Itai Cohen, professor i og papirets med-seniorforfatter, tidligere fundet en måde at manipulere - eller "tune" - materialet ved at adskille de stive strukturer eller kraftkæder, der dannes af partiklerne i disse suspensioner gennem vinkelret oscillation. Men denne metode viste sig at være upraktisk. Det er ikke let, trods alt, at ryste og vride et fabriksrør.

Cohen og ph.d. studerende Meera Ramaswamy samarbejdede med Brian Kirby, professor i teknik, og ph.d. studerende Prateek Sehgal, som har brugt akustiske transducere til at manipulere mikro- og nanoskala partikler i Kirbys laboratorium.

Sehgal udviklede en enkel, men effektiv enhed, der består af en bundplade med en akustisk transducer - kaldet en piezo - der genererer ultralydsbølger.

"Når du ophidser den piezo ved en bestemt frekvens og en bestemt spænding, det udsender de akustiske bølger gennem bundpladen til suspensionen. Disse akustiske forstyrrelser bryder kraftkæderne, der er ansvarlige for forskydningstykkelse, "sagde Sehgal, medleder forfatter til papiret med Ramaswamy.

"De forstyrrelser, du fremkalder, er faktisk virkelig, virkelig lille, så der skal ikke meget til for at bryde kontaktkræfterne mellem mikropartiklerne, "Cohen sagde." Dette er den centrale indsigt, der gjorde det muligt for os at tænke på at anvende disse former for forstyrrelser og få det til at fungere. I bund og grund, enhver geometri, hvor du har et flow, der er fortykket, du kan nu bare slå en piezo på og aftykke den region. Denne strategi åbner bare anvendeligheden for en langt bredere række applikationer. "

Forskerne udviklede fremgangsmåden ved at manipulere partikler i stoffer op til 1,3 mm tykke, men fordi ultralydsbølger kan udbrede lange afstande i materiale, Kirby forudser, at det bliver brugt på rør så brede som en fod. Potentielle anvendelser omfatter fødevareforarbejdning, især for materialer, der har partikelformige suspensioner som pastaer, fremstilling af beton, samt 3D-tryk af keramik og metaller.

Anvendelsen af ​​akustisk energi er også et værdifuldt videnskabeligt redskab for forskere, der studerer et materiales fortykkelsesadfærd og systemdynamik. Typisk, at studere fortykkelse, man skal starte med en afslappet affjedring og rampe op ad strømmen. Denne proces, imidlertid, kan tage lang tid.