Eric Brown Lab

Las suspensiones se pueden diseñar con diferentes partículas y líquidos para producir diversas propiedades de materiales útiles. Una de estas propiedades es el engrosamiento de cizalla, que se ve fácilmente en una suspensión de almidón de maíz en agua. Cuando el líquido se agita débilmente, se siente como un líquido normal, pero cuando se agita con más fuerza, se siente dramáticamente más grueso e incluso puede agrietarse como un sólido a altas tensiones. Cuando se detiene la agitación, el líquido se vuelve delgado y similar al líquido de nuevo. Este comportamiento inusual ocurre generalmente en suspensiones simples de partículas duras densamente empaquetadas sin interacciones especiales, y se conoce desde hace décadas. Una de nuestras principales contribuciones fue desarrollar y probar un modelo que explica las escalas de esfuerzo observadas en las mediciones de espesamiento de corte. Mostramos que cuando estas suspensiones densas se dilatan bajo cizallamiento y empujan contra un límite de confinamiento, el límite responde con una fuerza de restauración que se transmite entre partículas a lo largo de contactos de fricción que conducen a un mayor esfuerzo de cizallamiento . La tensión de confinamiento se debe generalmente a la tensión superficial en la interfaz líquido-aire, y hemos confirmado que las mediciones de tensión se acoplan a la dilatación intermitente de la superficie . El inicio del régimen de espesamiento de cizallamiento se establece generalmente mediante una escala de esfuerzo correspondiente a las interacciones de partículas que previenen el cizallamiento y la dilatación, ya sea que esas interacciones provengan de un potencial electrostático, campos eléctricos y magnéticos inducidos, gravedad u otras fuerzas .

Hemos identificado varias conexiones entre el engrosamiento de corte y la transición de atasco, donde las partículas se empaquetan lo suficientemente herméticamente como para formar una estructura rígida. Encontramos que la resistencia del engrosamiento por cizallamiento es controlada por una fracción crítica de empaquetamiento t que coincide con el punto de atasco, de modo que la resistencia del engrosamiento por cizallamiento se hace más fuerte y diverge en esta fracción crítica de empaquetamiento . En colaboración con el grupo de Joe DeSimone en la Universidad de Carolina del Norte y Liquidia Technologies, que puede fabricar partículas de diferentes formas, hemos podido demostrar que el confinamiento de suspensiones en forma de varilla en unas pocas capas da como resultado un estado ordenado y elimina el engrosamiento de cizalladura, en contraste con el fuerte desorden y el engrosamiento de cizalladura en el punto de atasco . Dado que incluso pequeños errores en la fracción de empaque conducen a grandes incertidumbres cerca de un punto crítico, desarrollamos una técnica para resolver mejor los datos cerca del punto crítico utilizando la velocidad de cizallamiento crítica como referencia en lugar de la fracción de empaque .

Para obtener una visión general de la investigación sobre el engrosamiento de cizalladura en estado estacionario, consulte mi reseña , un resumen en video y comentarios cortos .

Respuesta al impacto

Una de las propiedades más dramáticas de los fluidos espesantes de cizallamiento es su fuerte respuesta al impacto. Un ejemplo de esto se puede ver en la capacidad de una persona para correr sobre la superficie del líquido. La comprensión de este fenómeno puede permitirnos aprovechar las propiedades únicas e impresionantes de resistencia al impacto de los fluidos espesantes de corte. Usando experimentos de impacto controlado, hemos observado que una región atascada transitoriamente en forma de sólido se propaga frente a un impacto que es más rápido que una velocidad crítica. Si el frente de esta región atascada alcanza un límite sólido, entonces una región similar a un sólido se extiende por el sistema y puede soportar una carga como un sólido , . Esta estructura es lo suficientemente fuerte como para explicar la capacidad de una persona de caminar o correr sobre la superficie de la maicena y el agua . Nuestro trabajo reciente en colaboración con el grupo de Marcelo Kallmann en la Universidad de California, Merced, muestra que este y otros fenómenos asociados durante mucho tiempo con el engrosamiento de cizalladura se pueden simular con modelos que no incluyen el engrosamiento de cizalladura directamente en la relación entre el esfuerzo de cizalladura y la velocidad de cizalladura rather más bien, estos fenómenos pueden atribuirse más apropiadamente a la histéresis en la reología. Desarrollamos un modelo de baja dimensión en el que la histéresis proviene de una combinación del tiempo que tarda una región atascada transitoriamente en propagarse a través del sistema y un tiempo de relajación, en combinación con una rigidez de tipo sólido del fluido . Nuestras primeras mediciones de un tiempo de relajación revelan que, mientras que en fracciones de empaque bajas puede determinarse por la viscosidad en estado estacionario de la suspensión, en fracciones de empaque altas permanece en el orden de segundos, en contraste con las expectativas de que el tiempo de relajación llegue a cero en el límite de la transición de atasco según el comportamiento de la viscosidad en estado estacionario .

Financiación: NSF DMR 1410157 (CMP)