Spørgsmål og svar:Forskning forbedrer forståelsen af ​​partikelinteraktioner for bedre materialedesign

Tandpasta har et hårdt arbejde. Den skal ikke kun udføre essentielle funktioner som at skrubbe kafferester fra dine perlehvide, men den skal også forblive i røret, komme ud jævnt under tryk og balancere på en masse børster uden at løbe ud over badeværelsesvasken.

Og enhver bruger, overalt, sætter pris på det, når overskydende pasta, der ekstruderes, men ikke er nødvendig på tandbørsten, glider problemfrit tilbage i tuben.

Dette er et eksempel på en tixotropisk elastoplastisk suspension lavet af mange forskellige partikler. Nu er det en mundfuld.

Ifølge Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford Chair i Chemical and Biomolecular Engineering ved University of Delaware, findes disse typer suspensioner i alt fra lotion til 3D-printblæk til byggestensmaterialer til emner, herunder gummidæk, ler, cementer og mere.

Mange af disse materialer er lavet gennem eksperimenter - forsøg og fejl. Har dit dækmateriale ikke nok stødabsorbering? Bland et nyt parti partikler for at reducere afvisningen.

Wagner og et hold af UD-forskere spekulerede på, om der var en måde at tage udgangspunkt i et grundlæggende billede af partiklerne og deres interaktioner på forenden, som kunne styres gennem kemien, for at udvikle et slutprodukt med de ønskede materialeegenskaber.

Resultatet er en grundlæggende model med applikationer til at forstå en række materialer, herunder menneskelig blodgennemstrømning, forbrugerprodukter som plast eller carbon black og silica dispersioner fundet i industrielle produkter til fremstilling af dæk til halvledere.

Forskerholdets tilgang blev for nylig vist på forsiden af ​​AIChE Journal .

Mens ingeniører over hele landet mødes i Orlando, Florida, i denne uge til AIChE-årsmødet 2023, der blev afholdt den 5.-10. november, talte UDaily med Wagner om arbejdet.

Sp:Hvad er det problem, du prøvede at løse?

Wagner:Ting som tandpasta, cementer, geopolymerer - selv almindelige husholdningsprodukter som din plastikflaske til vaskemiddel - er sammensat af mange partikler, der kombinerer eller går i stykker under forskellige forhold. I tandpasta er der partikler til at rense, opfriske din ånde og sørge for, at tandpastaen skummer. Partikler i plastik som en vaskemiddelflaske giver flasken farve.

Dette papir omhandler en ny tilgang, som vi har udviklet i vores gruppe for at tage udgangspunkt i et grundlæggende billede af partiklerne og deres interaktioner for at forbinde prikkerne mellem materialets struktur, hvordan det påvirkes af forarbejdningsstrømmen, og hvordan det fører til en endelig materialets egenskaber.

I teorien ville dette give os mulighed for at starte med en grundlæggende beskrivelse, som du kan styre gennem kemien, og derefter udvikle et slutprodukt, der giver dig de ønskede materialeegenskaber. Modellen er baseret på befolkningsbalancemodellering, et meget kraftfuldt værktøj, der bruges i kemiteknik, såvel som andre discipliner. For eksempel brugte min forskergruppe dette værktøj under pandemien til at modellere, hvordan adfærd kunne påvirke smitte af coronavirus (COVID-19) i UD-samfundet.

Sp:Hvorfor ville ikke-videnskabsmænd bekymre sig om denne forskning?

Wagner:Dette kan være at sikre, at tandpasta bliver på tandbørsten, eller at ketchup bliver på hotdoggen uden at lave rod. Det er trivielt. Men tag et solpanel, hvor der er forbindelser, der er lavet gennem sølvpartikler i en pasta. Her vil du i det væsentlige screenprinte en opslæmning af sølvpartikler og derefter sammensmelte disse sølvpartikler for at lave ledningerne. Hvis du nu kan forbedre det, vil du lave solpaneler, der holder længere, men den ledning dækker også nogle af de paneler, der kunne samle solenergi.

Så en mulig anvendelse, hvor denne type modellering er meget vigtig, er industrielle processer som trykning, for hvis vi kan gøre ledningerne bedre, smallere eller mere ensartede gennem at forstå, hvordan vi bedre kan formulere pastaen for at få det tryk, vi ønsker, kan vi måske kunne forbedre et solpanels effektivitet med nogle få procent. Gang de få procent med et uendeligt antal solpaneler, og det er et stort tal.

Så hvor du ønsker bedre produkter, hårdere plastik, bedre bilting, evnen til at 3D-printe fyldte systemer som keramik, metaller eller cement, har du brug for en bedre kontrol over materialets flowadfærd og endelige egenskaber.

Sp:Hvordan hænger dette sammen med blodgennemstrømningen?

Wagner:Blodgennemstrømningen er interessant. Blodceller er partikler. I din krop samles røde blodlegemer, og de stables som mønter. Disse stakke danner aggregater af partikler, der er vigtige for, hvordan blodet strømmer gennem kroppen, dit hjerte og arterier, for eksempel.

Vi har brug for blodceller til at samle sig for ting som at størkne, men vi ønsker ikke, at de samler sig på det forkerte sted på det forkerte tidspunkt. Så det er vigtigt at modellere dette korrekt til brugstilfælde, såsom sundhedsudstyr eller andre applikationer.

Sp:Hvorfor er det en stor sag at få dit arbejde vist på forsiden af ​​AIChE Journal ?

Wagner:For kemiteknik er dette flagskibsbladet for vores disciplin. Det er specielt. Det er en grundlæggende ny tilgang. Folk har lavet befolkningsbalancemodellering og modelleret disse typer væsker empirisk i lang tid. Men folk har ikke rigtig lavet forbindelsen på en måde, der er grundlag for det videre arbejde i fremtiden.

Vi lavede teorien. Vi har de eksperimentelle data, der hjalp med at validere denne grundlæggende videnskab, og der er klare anvendelser på mange industrielle problemer, hvor det kan være værd at prøve denne tilgang.

Sp:Hvad med den menneskelige side af arbejdet?

Wagner:Det er interessant at tænke på de involverede mennesker – især eleverne og hvor de endte efter dette arbejde. For eksempel er Soham Jarawal, der lavede modelarbejdet og baserede sin doktorafhandling på dette projekt, nu på W.L. Gore laver blodgennemstrømningsmodellering. Julie Hipp, en tidligere kandidatstuderende, udførte prisvindende neutronspredningsarbejde for at måle disse partikelfordelinger og størrelser under flow i kønrøg, der hjalp med at validere denne nye teori. I dag er hun ansat hos Procter and Gamble. Så er der Rong Song, som brugte tid på at arbejde sammen med Chemours om titaniumdioxid-partikelteknologi, mens hun afsluttede sin kandidatgrad på UD.

Dette arbejde er et smukt eksempel på, hvordan forskellige ekspertise og samarbejder samles for at gøre noget grundlæggende, der kan bruges til at forbedre materialer, der findes overalt fra sundhedspleje til industri til forbrugerprodukter og -processer. Det er også en linse til de steder, hvor disse samarbejdspartnere tager det, de har lært, deres uddannelse og erfaringer, og vokser i nye retninger uden for UD.

Flere oplysninger: Soham Jariwala et al., En polydispers model for tixotropiske elasto-viskoplastiske suspensioner af aggregerende partikler ved hjælp af populationsbalancer, AIChE Journal (2023). DOI:10.1002/aic.18184

Leveret af University of Delaware