Раскрывая недостающие детали странного поведения фаворита научной ярмарки - супообразной смеси, известной как «ублек», которая переключается между жидким и твердым веществом, - ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Джорджтаунский университет мог бы помочь положить конец давним научным дебатам и улучшить процессы, начиная от заливки бетона и заканчивая созданием лучших бронежилетов.
Новое исследование, проведенное учеными из Национального института стандартов и технологий и Джорджтауна, расшифровывает механизмы, которые заставляют материалы переключаться между жидким и твердым состоянием в ответ на стресс.
Имя Ублека заимствовано из классического произведения доктора Сьюза (Варфоломей и Ублек). Сожмите или растолките его, и в одно мгновение смесь из кукурузного крахмала и воды станет твердой, но после снятия стресса снова станет жидкой.
Учёные из Национального института стандартов и технологий и Джорджтауна разработали новую картину для описания ублека и подобных смесей мелких частиц, взвешенных в жидкостях. Основанная на измерениях расхода крошечных шариков кремнезема, диспергированных в растворе, модель использует две конкурирующие теории для объяснения явления «уплотнения при сдвиге» жидкостей, которые затвердевают в ответ на нагрузку.
Известные более формально как неньютоновские вещества, загущающие при сдвиге жидкости представляют собой нечто большее, чем просто любопытство.
«Они диктуют, сколько вещей вы можете перемещать и с какой скоростью», - сказал Дэниел Блэр, профессор физики Джорджтаунского университета и соавтор статьи, опубликованной в Physical Review Letters. «В химической промышленности вы ищете наиболее эффективный способ перемещения чего-либо по трубе, не ломая при этом насос. Для этого вам нужно знать как можно больше о сдвиговом утолщении, чтобы иметь возможность его контролировать».
Противоположные теории, одна из которых опирается в основном на экспериментальные данные, а другая на результаты модельных исследований, были предложены для объяснения сгущения при сдвиге в суспензиях микроскопических частиц, также называемых коллоидами. Согласно новому исследованию, оказывается, что они не конкурируют, а дополняют друг друга.
"Продолжающиеся дебаты касаются роли основанных на смазке гидродинамических взаимодействий по сравнению с контактными силами трения", - объяснил ведущий автор Джон Ройер, материаловед из NIST.
При низких концентрациях гранул кремнезема Ройер, Блэр и материаловед из NIST Стивен Хадсон обнаружили, что измерения напряжения согласуются с гидродинамической моделью. Модель утверждает, что удар заставляет частицы собираться в группы, называемые гидрокластерами. По мере увеличения напряжения гидрокластеры сжимаются, и жидкость сгущается или становится более вязкой. Жидкость выдавливается из кластеров, создавая все более тонкий смазывающий слой, разделяющий частицы и делая рассеянные кластеры более жесткими.
Но, как и в более ранних экспериментах, говорит Ройер, величина наблюдаемого утолщения при сдвиге превышала уровни, указанные в моделях, которые могут быть достигнуты с помощью гидрокластеров.
Конкурирующая модель использует фрикционные контакты - по сути, столкновения частиц, вызванные напряжением - в качестве основной движущей силы утолщения. Но модель трения требует, чтобы материалы расширялись - или расширялись - когда напряжение превышает пороговое значение, и частицы фиксируются на месте, так что они не могут сжиматься друг с другом, как в гидродинамической модели..
Вот в чем загвоздка. На сегодняшний день эксперименты не дали доказательств расширения, вызванного напряжением, что побудило некоторых ученых исключить трение как играющее значительную роль в утолщении при сдвиге.
Ройер и его коллеги решили эти затруднения, измерив, как коллоиды с различной концентрацией сфер размером с бактерию реагируют на стрессы, варьирующиеся от незначительных до больших. Эти измерения, проведенные с помощью современного реометра или устройства для измерения расхода в Джорджтаунском институте синтеза и метрологии мягких веществ, выявили «ранее скрытый переход от взаимодействий, в которых преобладает гидродинамика, к взаимодействиям, в которых преобладает трение, по мере того, как сдвиговое утолщение становится более выраженным», - говорит Ройер.
Они обнаружили переход от сжатия к расширению, который происходит без лишнего шума - или без видимых изменений в самом поведении при сдвиге.
«Этот переход демонстрирует, что сдвиговое сгущение происходит в основном за счет фрикционных контактов, а гидродинамические силы играют вспомогательную роль при более низких концентрациях частиц, когда смеси менее плотные», - пояснил Ройер.
"Эти результаты теперь мотивируют новые микроскопические подходы к контролю загустевания при сдвиге в промышленных применениях, либо сводя к минимуму загустевание, когда необходим постоянный поток, либо контролируя загущение для использования, например, в гибких бронежилетах."
Разрабатываемые приложения для защитной одежды направлены на использование утолщения при сдвиге, например, для усиления защиты от ножевых ранений в случае баллистической брони и для дальнейшего повышения защиты от проникновения снарядов и осколков взрывчатых веществ.