Strækning og flow:Forskning belyser usædvanlige egenskaber ved kendte materialer

Tandpasta, ansigtscremer, hårgelé, mayonnaise og ketchup er husholdningsartikler, som de fleste mennesker ikke tænker to gange om, men hvad angår deres flowadfærd, de har usædvanlige egenskaber. De er alle elasto-visco-plast (EVP) materialer, der opfører sig som faste stoffer i hvile, men kan give efter for at flyde som væsker, når den placeres under tilstrækkelig belastning. På trods af deres allestedsnærværende, evnen til at modellere og forudsige deres adfærd er afhængig af en teori, der kun har vist sig at fungere under visse betingelser.

Forskere fra Micro/Bio/Nanofluidics Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) og Laboratory of Fluid Mechanics and Rheology ved University of Patras har afsløret indsigt i disse materialer ved at kombinere eksperimenter med simuleringer. Deres forskning, udgivet i PNAS , tyder på, at materialernes elasticitet i sin solid-lignende tilstand er en nøgleegenskab, der bør indgå i fremtidige modeller.

"I løbet af det sidste årti fremskridt inden for mikrofluidikforsøg har afsløret mange uventede fænomener i strømmen af ​​EVP -materialer, "sagde professor John Tsamopoulos, fra University of Patras. "Eksempler omfatter boblerne i gelerne og tabet af symmetri i strømmen. Disse og andre observationer antydede, at der manglede noget i den eksisterende teori. Tidligere forskning i vores laboratorium antydede, at elasticitet, materialets mikrostruktur evne til at deformere før det giver, var den manglende del af puslespillet. "

Professor Amy Shen, der leder OIST -enheden, sagde, "Selv når basale husholdningsartikler er afsat, at have en grundlæggende forståelse for, hvordan EVP -materialestrømme er meget nyttig, især inden for biomedicinsk videnskab og geofysik. "F.eks. forklarede hun, blod er et EVP -materiale - det opfører sig som et fast stof i hvile, men flyder som en væske i arterierne. Hvad mere er, tilføjede hun, nogle 3D-trykte væv og stilladser kan have EVP-egenskaber, og, på den geofysiske side, vulkansk lava opfører sig som et EVP -materiale, omend i meget større skala.

Tidligere eksperimentel forskning på EVP -materialer har målt deres adfærd under forskydning, opnået, når lag af væske glider forbi hinanden. Men, når det kommer til industriel behandling og anvendelse af disse materialer, såsom fiber-spinning og print på printkort, det er ofte det udvidede flow - når væsken er strakt - det er vigtigere.

Undersøgelsen af ​​rent ekstensionsstrømme er en stor udfordring inden for eksperimentel væskedynamik, og den udvidede strøm af EVP -materialer har aldrig tidligere været vellykket målt i forsøg. For at opnå dette for første gang, Dr. Simon Haward, gruppelederen fra Micro/Bio/Nanofluidics Unit, brugte et nyt mikrofluidapparat kendt som en krydsspaltegeometri. Apparatet omfattede fire kanaler, der alle var vinkelret på hinanden.

"Inde i krydsslidsgeometrien, vi brugte en Pluronic -løsning, et velkendt EVP-materiale, "sagde Dr. Haward." Da vi lagde pres på de to indgående kanaler, som var placeret overfor hinanden, løsningen blev skubbet mod midtpunktet, og den kom ud af de to andre kanaler. Den resulterende strøm har et punkt i midten, hvor hastigheden går til nul. I de to udgående kanaler, vi genererede en ekstensionel strømning, hvor væsken blev strakt. "

I mellemtiden, Professor Yannis Dimakopoulos og forskere ved University of Patras skabte en teoretisk model og simulerede strømmen af ​​to EVP -materialer - Pluronic -løsningen og et andet materiale kaldet Carbopol. De viste, at komplekse mønstre opstod i strømmen, som omfattede tilstedeværelsen af ​​størkne områder omgivet af væsketilstanden. Deres fund matchede eksperimenterne udført på OIST.

"Denne model kan beskrive enkle EVP -materialer i forskydning, ekstensionelle og blandede strømme. Selvom vi kun fokuserede på to materialer, det kan bruges på en lang række forskellige varianter af elasticitet, plasticitet, viskositet, og andre ejendomme, "sagde Stelios Varchanis, en ph.d. kandidat ved University of Patras og første forfatter af papiret. "Dette gør modellen passende til at simulere strømme under design og optimering af forskellige industrielle processer."

Denne forskning tyder på, at den eksisterende teori skal revideres for at omfatte materialets elasticitet. "Afhængigt af mængden af ​​deformation, som EVP -materialet kan klare, før det giver, det vil enten opføre sig på en måde tæt på det, der forudsiges af den eksisterende teori, eller det vil opføre sig mere som et flydende elastisk-fast stof, sagde Stelios.

"Eksperimenterne på OIST komplimenterede simuleringerne, "sagde Dr. Cameron Hopkins, fra OIST Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "Selvom den pluroniske løsning, vi undersøgte, kun udviser svage elastiske effekter, en lille mængde asymmetri blev observeret i strømmen, hvilket indikerer en afvigelse fra rent væskelignende adfærd, så elasticiteten ikke kan negligeres. Vores eksperimenter gav stærk støtte til den foreslåede ændring af teorien. "

Denne forskning involverede også Dr. Alexandros Syrakos fra University of Patras.