Ny forståelse af oobleck-lignende væsker bidrager til smart materialedesign

Blander du majsstivelse og vand i de rigtige proportioner, får du noget, der virker ikke-helt-flydende, men også ikke-helt-fast. Oobleck flyder og sætter sig som en væske, når den er uberørt, men stivner, når du prøver at tage den op eller røre den med en ske. Egenskaberne ved oobleck og andre ikke-newtonske væsker – inklusive Silly Putty, kviksand, maling og yoghurt – ændrer sig under stress eller pres, og videnskabsmænd har længe kæmpet for at bevise præcis hvorfor.

Nu har forskere ved University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME) brugt piezoelektriske nanopartikler, som selv ændrer sig som reaktion på tryk, til at undersøge den grundlæggende fysik af ikke-newtonske væsker. Holdet opdagede en nøglerolle for friktion mellem partikler i at få materialerne til at vende fra en væske til en mere solid struktur.

"Dette besvarer ikke kun langvarige grundlæggende spørgsmål om den fysiske oprindelse af disse materialer, men åbner også døre for design af nye ikke-newtonske væsker med praktiske anvendelser," sagde Stuart Rowan, Barry L. MacLean professor i molekylær ingeniørvidenskab og co. -senior forfatter af papiret, udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Blandt disse potentielle anvendelser er maling, der ikke klumper, væsker, der hærder til en form, når de rystes, og bærbart beskyttelsesudstyr, der stivner, når det rammes.

Piezoelektriske sonder

Et kendetegn ved ikke-Newtonske væsker er, at deres viskositet - hvor tykke de er - ændrer sig dramatisk, når materialerne er under stress. For nogle materialer betyder det udtynding med stress. At ryste en ketchupflaske kan gøre krydderiet drastisk mere hældbart; yoghurt, mayonnaise og tandpasta bevarer deres form i en beholder, men bliver mere væskelignende ved brug.

Men andre materialer som oobleck, som er en koncentreret partikelsuspension, opfører sig lige det modsatte:det kan føles solidt, mens det bliver manipuleret, men alligevel falde sammen til en vandpyt, når det lægges ned.

Forskere har formuleret hypoteser om, hvorfor koncentrerede partikelsuspensioner ændres, når de forskydes - ved at blive udsat for flere kræfter, der virker i forskellige retninger. Disse hypoteser vedrører for det meste, hvordan molekylerne og partiklerne, der udgør materialerne, kan interagere med hinanden på forskellige måder under forskellige forhold - men hver hypotese er svær at bevise.

"For at forstå disse koncentrerede partikelsuspensioner ønsker vi at være i stand til at se på strukturen i nanoskalaen, men partiklerne er så utroligt tætte sammen, at det er meget svært at afbilde disse strukturer," forklarede postdoc Hojin Kim, den første forfatter til det nye papir. .

For at overvinde denne udfordring samarbejdede Kim med Rowan, Aaron Esser-Kahn, også professor i PME og ekspert i piezokemi, og Heinrich Jaeger, Sewell Avery Distinguished Service Professor of Physics. Holdet udviklede en teknik, der måler ændringen i elektrisk konduktans baseret på forskydningskraften, der udøves på den. Derefter suspenderede de nanopartiklerne i en væske i en sådan koncentration, at den udviste ikke-newtonske egenskaber på samme måde som oobleck.

Forskerne anvendte forskydningskraft på toppen og bunden af ​​væsken og målte samtidig de resulterende ændringer i både viskositet og de elektriske signaler. Det lod dem bestemme, hvordan partiklerne interagerede, da de ændrede sig fra et mere flydende til et mere fast-lignende materiale.

"Vi fandt ud af, at friktion mellem partikler var afgørende for denne overgang," sagde Kim. "I denne koncentrerede partikelopløsning er der et vendepunkt, når friktionen når et vist niveau, og viskositeten stiger brat."

En række applikationer

At forstå de fysiske kræfter, der spiller i en koncentreret partikelopløsning, er et skridt hen imod at kunne designe nye ikke-newtonske væsker i laboratoriet. En dag kunne disse konstruerede materialer have skræddersyede egenskaber, der lader videnskabsmænd kontrollere deres viskositet gennem stress. I nogle tilfælde kan dette føre til mindre sammenklumpning og tilstopning af væsker som maling og beton. I andre tilfælde kan det betyde en målrettet hærdning af materialer, når det ønskes.

"For enhver applikation håber vi, at vi i sidste ende kan bestemme den ideelle kombination af opløsningsmidler og partikler og forskydningsforhold for at få de egenskaber, vi ønsker," sagde Kim. "Dette papir kan virke som meget grundlæggende forskning, men i virkeligheden er ikke-newtonske væsker overalt, og det har derfor mange anvendelsesmuligheder."

For nu planlægger Pritzker Molecular Engineering og UChicago-forskerne at drage fordel af den stress-inducerede piezoelektriske aktivitet af deres nanopartikelsuspensioner til at designe nye adaptive og responsive materialer, der for eksempel bliver stivere under mekanisk kraft.

Flere oplysninger: Hojin Kim et al, Stress-aktiveret friktion i forskydne suspensioner sonderet med piezoelektriske nanopartikler, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2310088120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Chicago