Eric Brown Lab

Suspensionen können mit verschiedenen Partikeln und Flüssigkeiten entworfen werden, um verschiedene nützliche Materialeigenschaften zu erzeugen. Eine solche Eigenschaft ist die Scherverdickung, die leicht in einer Suspension von Maisstärke in Wasser zu sehen ist. Wenn die Flüssigkeit schwach gerührt wird, fühlt sie sich wie eine normale Flüssigkeit an, aber wenn sie härter gerührt wird, fühlt sie sich dramatisch dicker an und kann bei hohen Belastungen sogar wie ein Feststoff reißen. Wenn das Rühren aufhört, wird die Flüssigkeit wieder dünn und flüssig. Dieses ungewöhnliche Verhalten tritt im Allgemeinen in einfachen Suspensionen dicht gepackter Hartpartikel ohne besondere Wechselwirkungen auf und ist seit Jahrzehnten bekannt. Einer unserer Hauptbeiträge bestand darin, ein Modell zu entwickeln und zu testen, das die bei Messungen der Scherverdickung beobachteten Spannungsskalen erklärt. Wir haben gezeigt, dass, wenn sich diese dichten Suspensionen unter Scherung ausdehnen und gegen eine Begrenzungsgrenze drücken, Die Grenze mit einer Rückstellkraft reagiert, die zwischen Partikeln entlang von Reibungskontakten übertragen wird, was zu einer erhöhten Scherspannung führt . Die Begrenzungsspannung ist normalerweise auf die Oberflächenspannung an der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche zurückzuführen, und wir haben bestätigt, dass Spannungsmessungen mit einer intermittierenden Oberflächendilatation gekoppelt sind . Der Beginn des Scherverdickungsregimes wird im Allgemeinen durch eine Spannungsskala festgelegt, die Partikelwechselwirkungen entspricht, die Scherung und Dilatation verhindern, unabhängig davon, ob diese Wechselwirkungen von einem elektrostatischen Potential, induzierten elektrischen und magnetischen Feldern, Schwerkraft oder anderen Kräften herrühren .

Wir haben mehrere Verbindungen zwischen der Scherverdickung und dem Stauübergang identifiziert, bei dem die Partikel gerade dicht genug gepackt sind, um eine starre Struktur zu bilden. Wir fanden heraus, dass die Stärke der Scherverdickung durch eine kritische Packungsfraktion t gesteuert wird, die mit dem Staupunkt übereinstimmt, so dass die Stärke der Scherverdickung näher an diese kritische Packungsfraktion heranrückt und dort divergiert . In Zusammenarbeit mit Joe DeSimones Gruppe an der University of North Carolina und Liquidia Technologies, die Partikel unterschiedlicher Form herstellen können, konnten wir zeigen, dass die Beschränkung stabförmiger Suspensionen auf wenige Schichten zu einem geordneten Zustand führt und eine Scherverdickung eliminiert im Gegensatz zu der starken Störung und Scherverdickung am Staupunkt . Da selbst kleine Fehler in der Packungsfraktion zu großen Unsicherheiten in der Nähe eines kritischen Punktes führen, haben wir eine Technik entwickelt, um Daten in der Nähe des kritischen Punktes besser aufzulösen, indem die kritische Scherrate als Referenz anstelle der Packungsfraktion verwendet wird .

Für einen Überblick über die Forschung in Steady-State-Scherverdickung, siehe meine Rezension , ein Video Abstract und kurze Kommentare .

Aufprallverhalten

Eine der dramatischsten Eigenschaften von Scherverdickungsflüssigkeiten ist ihre starke Reaktion auf Stöße. Ein Beispiel dafür ist die Fähigkeit einer Person, auf der Oberfläche der Flüssigkeit zu laufen. Das Verständnis dieses Phänomens kann es uns ermöglichen, die einzigartigen und beeindruckenden stoßfesten Eigenschaften von Scherverdickungsflüssigkeiten zu nutzen. Mit kontrollierten Aufprallexperimenten haben wir beobachtet, dass sich eine festkörperartige transient gestaute Region vor einem Aufprall ausbreitet, der schneller als eine kritische Geschwindigkeit ist. Wenn die Vorderseite dieses gestauten Bereichs eine feste Grenze erreicht, dann überspannt ein festkörperartiger Bereich das System und kann eine Last wie ein Festkörper tragen, . Diese Struktur ist stark genug, um die Fähigkeit einer Person zu erklären, auf der Oberfläche von Maisstärke und Wasser zu laufen oder zu laufen . Unsere jüngste Arbeit in Zusammenarbeit mit Marcelo Kallmanns Gruppe an der University of California, Merced, zeigt, dass dieses und andere Phänomene, die lange mit der Scherverdickung verbunden waren, mit Modellen simuliert werden können, die die Scherverdickung nicht direkt in die Beziehung zwischen Scherspannung und Scherrate einbeziehen – vielmehr können diese Phänomene eher der Hysterese in der Rheologie zugeschrieben werden. Wir haben ein niedrigdimensionales Modell entwickelt, bei dem die Hysterese aus einer Kombination der Zeit, die ein transient gestauter Bereich benötigt, um sich über das System auszubreiten, und einer Relaxationszeit in Kombination mit einer festkörperartigen Steifigkeit des Fluids resultiert . Unsere ersten Messungen einer Relaxationszeit zeigen, dass sie bei niedrigen Packungsfraktionen durch die stationäre Viskosität der Suspension bestimmt werden kann, bei hohen Packungsfraktionen jedoch in der Größenordnung von Sekunden verbleibt, im Gegensatz zu den Erwartungen, dass die Relaxationszeit in der Grenze des Verklemmungsübergangs aufgrund des Verhaltens der stationären Viskosität gegen Null geht .

Finanzierung: NSF DMR 1410157 (CMP)