Впервые исследователям удалось получить изображения, обеспечивающие беспрецедентные подробности того, как частицы ведут себя в жидкой суспензии, когда имеет место явление, известное как сгущение при сдвиге. Работа позволяет нам напрямую понять процессы, лежащие в основе утолщения при сдвиге, которые ранее понимались только на основе логического вывода и компьютерного моделирования.
Утолщение при сдвиге - это явление, которое может возникнуть, когда частицы взвешены в растворе с низкой вязкостью. Если концентрация частиц достаточно высока, то при приложении к раствору напряжения он становится очень вязким, эффективно ведя себя как твердое тело. Когда напряжение снимается или рассеивается, суспензия возвращается к своей нормальной жидкообразной вязкости. Это явление можно увидеть в популярных видеороликах на YouTube, в которых люди могут столкнуться с раствором кукурузного крахмала, взвешенным в воде, но погрузиться в раствор, когда стоят на месте.
Утолщение при сдвиге может быть недостатком или преимуществом, в зависимости от контекста.
Например, в различных отраслях промышленности, от пищевой до фармацевтической, компании часто пытаются перекачивать жидкости с высокой концентрацией частиц, чтобы сделать производственные процессы более эффективными и рентабельными. И если эти компании не учитывают должным образом сгущение при сдвиге, перекачиваемые жидкости могут забиваться или засоряться, что стоит им драгоценного времени и потенциально может повредить их оборудование.
С другой стороны, свойства утолщения при сдвиге также могут быть использованы для разработки материалов, поглощающих силу, для использования в таких приложениях, как бронежилеты, или в качестве механизма для управления физическими характеристиками устройств мягкой робототехники.
По этим причинам исследователи потратили годы, пытаясь точно понять, как и почему происходит утолщение при сдвиге. Однако исследователи были вынуждены полагаться на косвенные эксперименты, потому что они не могли точно определить поведение частиц в растворе, когда происходит сгущение при сдвиге. До сих пор.
Группа исследователей из Университета штата Северная Каролина и Северо-восточного университета использовала специализированный инструмент, называемый конфокальным реометром, для захвата микроскопических изображений частиц в растворе, когда они подвергались воздействию напряжения, чтобы вызвать утолщение при сдвиге. Компьютерное моделирование использовалось для поддержки экспериментальных наблюдений.
«По мере увеличения стресса мы смогли увидеть, как между частицами образуются сложные сети», - говорит Лилиан Сяо, автор статьи о работе и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в штате Северная Каролина. «И формы этих сетей зависели от формы и шероховатости частиц. В частности, то, как соседние частицы перестраиваются при приложении напряжения, определяет, как они утолщаются при сдвиге.
"Понимание этих корреляций между шероховатостью частиц, крупномасштабными частицами и сдвиговым сгущением позволяет нам лучше предсказывать поведение суспензий при сдвиговом сгущении."
В частности, исследовательская группа разработала способ более точно предсказать, какое усилие может быть приложено к данной концентрации частиц до того, как суспензия начнет испытывать сдвиговое сгущение, а также насколько вязким станет раствор - на основе шероховатость частиц. Шероховатость частиц имеет значение, потому что их поверхностные взаимодействия определяют, насколько плотно частицы могут быть упакованы друг с другом или «зажаты» в суспензии, прежде чем станут действительно твердыми.
«Для практического применения людям не нужно делать собственные микроскопические изображения того, что происходит во время процесса утолщения при сдвиге», - говорит Сяо.«Если они знают шероховатость частиц, находящихся в их растворе, они смогут определить, какие концентрации будут работать для их различных применений».
Статья «Расстояние помех диктует утолщение коллоидного сдвига» опубликована в Physical Review Letters. Первым автором статьи является Шраван Прадип, бывший доктор философии. студент штата Северная Каролина. Статья была написана в соавторстве с Аланом Джейкобом, бывшим исследователем с докторской степенью в штате Северная Каролина; Мохаммад Набизаде, аспирант Северо-Восточного университета; и Сафа Джамали, доцент кафедры промышленного и машиностроения Северо-Восточного университета.