Nye billeder fører til bedre forudsigelse af forskydningsfortykkelse

For første gang, forskere har været i stand til at fange billeder, der giver hidtil usete detaljer om, hvordan partikler opfører sig i en flydende suspension, når fænomenet kendt som shear thickening finder sted. Arbejdet giver os mulighed for direkte at forstå processerne bag forskydningsfortykkelse, som tidligere kun var blevet forstået ud fra inferens og beregningsmodellering.

Forskydningsfortykkelse er et fænomen, der kan opstå, når partikler suspenderes i en opløsning med lav viskositet. Hvis koncentrationen af ​​partikler er høj nok, så når der påføres stress på opløsningen, bliver den meget tyktflydende - og opfører sig effektivt som et fast stof. Når stressen fjernes eller forsvinder, suspensionen vender tilbage til sin normale væskelignende viskositet. Dette fænomen kan ses i populære YouTube-videoer, hvor folk er i stand til at løbe over en opløsning af majsstivelse suspenderet i vand - men synker ned i opløsningen, når de står stille.

Forskydningsfortykkelse kan være et ansvar eller en fordel, afhængig af konteksten.

For eksempel, i industrier fra fødevareforarbejdning til farmaceutisk fremstilling, virksomheder forsøger ofte at pumpe væsker med høje partikelkoncentrationer for at gøre fremstillingsprocesserne mere effektive og omkostningseffektive. Og hvis disse virksomheder ikke tager ordentligt højde for forskydningsfortykkelse, de væsker, der pumpes, kan sætte sig fast eller tilstoppe - hvilket koster dem værdifuld tid og potentielt beskadige deres udstyr.

På den anden side, egenskaberne ved forskydningsfortykkelse kan også bruges til at udvikle kraftabsorberende materialer til brug i applikationer såsom panser, eller som en mekanisme til styring af de fysiske egenskaber af bløde robotter.

Af disse grunde, forskere har brugt år på at forsøge at forstå præcist, hvordan og hvorfor forskydningsfortykkelse opstår. Imidlertid, forskere er blevet tvunget til at stole på indirekte eksperimenter, fordi de ikke var i stand til at fange den præcise opførsel af partiklerne i opløsning, når forskydningsfortykkelse finder sted. Indtil nu.

Et team af forskere ved North Carolina State University og Northeastern University brugte et tilpasset instrument, kaldet et konfokalt reometer, at fange mikroskopiske billeder af partikler i opløsning, da de blev udsat for stress for at udløse forskydningsfortykkelse. Computersimuleringer blev brugt til at understøtte de eksperimentelle observationer.

"Efterhånden som stressen steg, vi var i stand til at se komplekse netværk dannes mellem partikler, " siger Lilian Hsiao, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State. "Og formerne på disse netværk var afhængige af partiklernes form og ruhed. Specifikt, den måde, hvorpå nabopartikler omarrangeres, når der påføres spænding, dikterer måden, hvorpå de forskydes tykkere.

"Forstå disse sammenhænge mellem partikelruhed, store partikler, og forskydningsfortykkelse giver os mulighed for bedre at forudsige suspensionernes forskydningsfortykkelse."

Specifikt, forskerholdet udviklede en måde til mere præcist at forudsige, hvor meget stress der kan påføres en given koncentration af partikler, før en suspension begynder at opleve forskydningsfortykkelse – samt hvor tyktflydende opløsningen bliver – baseret på partiklernes ruhed. Partiklernes ruhed har betydning, fordi deres overfladeinteraktioner dikterer, hvor tæt partiklerne kan pakkes sammen, eller "fastklemt, " i suspensionen, før den bliver effektivt solid.

"Til praktiske anvendelser, folk behøver ikke at tage deres egne mikroskopiske billeder af, hvad der sker under forskydningsprocessen, " siger Hsiao. "Hvis de kender ruheden af ​​de partikler, de har i opløsning, de vil være i stand til at bestemme, hvilke koncentrationer der vil fungere til deres forskellige anvendelser."

Papiret, "Jamming Distance dikterer kolloidal forskydningsfortykkelse, "udgives i Fysisk gennemgangsbreve .