Eric Brun Lab

suspensioner kan designes med forskellige partikler og væsker til at producere forskellige nyttige materialeegenskaber. En sådan egenskab er forskydningsfortykning, som let ses i en suspension af majsstivelse i vand. Når væsken omrøres svagt, føles det som en normal væske, men når den omrøres hårdere, føles den dramatisk tykkere og kan endda knække som et fast stof ved høje belastninger. Når omrøringen stopper, bliver væsken tynd og væskelignende igen. Denne usædvanlige opførsel forekommer generelt i enkle suspensioner af tætpakkede hårde partikler uden nogen specielle interaktioner, og har været kendt i årtier. Et af vores største bidrag var at udvikle og teste en model, der forklarer de stressskalaer, der blev observeret i forskydningsfortykkelsesmålinger. Vi viste, at når disse tætte suspensioner udvides under forskydning og skubber mod en begrænsende grænse, reagerer grænsen med en gendannelseskraft, der overføres mellem partikler langs friktionskontakter, hvilket fører til øget forskydningsspænding . Den begrænsende stress skyldes normalt overfladespænding ved væske-luft-grænsefladen, og vi har bekræftet, at spændingsmålinger er koblet til intermitterende overfladeudvidelse . Begyndelsen af forskydningstykningsregimet er generelt indstillet af en spændingsskala svarende til partikelinteraktioner, der forhindrer forskydning og udvidelse, uanset om disse interaktioner kommer fra et elektrostatisk potentiale, inducerede elektriske og magnetiske felter, tyngdekraft eller andre kræfter .

vi har identificeret flere forbindelser mellem forskydningsfortykning og fastklemningsovergangen, hvor partikler pakkes lige tæt nok til at danne en stiv struktur. Vi fandt styrken af forskydningsfortykning styres af en kritisk pakningsfraktion t, der falder sammen med fastklemningspunktet, således at styrken af forskydningsfortykning bliver stærkere tættere på og afviger ved denne kritiske pakningsfraktion . I samarbejde med Joe Desimones gruppe ved University of North Carolina og Væskia Technologies, der kan fremstille partikler i forskellige former, har vi været i stand til at vise, at indeslutning af stavformede suspensioner til et par lag resulterer i en ordnet tilstand og eliminerer forskydningsfortykning i modsætning til den stærke lidelse og forskydningsfortykning ved fastklemningspunktet . Da selv små fejl i pakningsfraktion fører til store usikkerheder nær et kritisk punkt, udviklede vi en teknik til bedre at løse data nær det kritiske punkt ved at bruge den kritiske forskydningshastighed som reference i stedet for pakningsfraktion .

For en oversigt over forskning i steady-state forskydningsfortykning, se min anmeldelse , et videoabstrakt og korte kommentarer .

Effektrespons

en af de mest dramatiske egenskaber ved forskydningsfortykkelsesvæsker er deres stærke respons på påvirkning. Et eksempel på dette kan ses i en persons evne til at løbe på væskens overflade. Forståelse af dette fænomen kan give os mulighed for at drage fordel af de unikke og imponerende slagmodstandende egenskaber ved forskydningsfortykningsvæsker. Ved hjælp af kontrollerede slageksperimenter har vi observeret, at en fastlignende forbigående fastklemt region formerer sig foran en påvirkning, der er hurtigere end en kritisk hastighed. Hvis fronten af dette fastklemte område når en solid grænse, så spænder en solidlignende region over systemet og kan understøtte en belastning som et fast stof,. Denne struktur er stærk nok til at forklare en persons evne til at gå eller løbe på overfladen af majsstivelse og vand . Vores nylige arbejde i samarbejde med Marcelo Kallmanns gruppe ved University of California, Merced viser, at dette og andre fænomener, der længe er forbundet med forskydningsfortykning, kan simuleres med modeller, der ikke inkluderer forskydningsfortykning direkte i forholdet mellem forskydningsspænding og forskydningshastighed-snarere kan disse fænomener mere passende tilskrives Hysterese i reologien. Vi udviklede en lavdimensionel model, hvor hysteresen kommer fra en kombination af den tid, det tager for et forbigående fastklemt område at sprede sig over systemet og en afslapningstid, i kombination med en solidlignende stivhed af væsken . Vores første målinger af en afslapningstid afslører, at mens den ved lave pakningsfraktioner kan bestemmes af suspensionens steady-state viskositet, ved høje pakningsfraktioner forbliver den i størrelsesordenen sekunder, i modsætning til forventningerne til afslapningstiden, der går til nul i grænsen for fastklemningsovergangen baseret på opførslen af steady-state viskositet .

finansiering: NSF DMR 1410157 (CMP)