Eric Brown Lab
Les suspensions peuvent être conçues avec différentes particules et liquides pour produire diverses propriétés de matériau utiles. L’une de ces propriétés est l’épaississement par cisaillement, qui se voit facilement dans une suspension de fécule de maïs dans l’eau. Lorsque le fluide est agité faiblement, il ressemble à un liquide normal, mais lorsqu’il est agité plus fort, il est considérablement plus épais et peut même se fissurer comme un solide à des contraintes élevées. Lorsque l’agitation cesse, le fluide redevient mince et liquide. Ce comportement inhabituel se produit généralement dans des suspensions simples de particules dures densément emballées sans interactions particulières, et est connu depuis des décennies. L’une de nos contributions majeures a été de développer et de tester un modèle qui explique les échelles de contraintes observées dans les mesures d’épaississement par cisaillement. Nous avons montré que lorsque ces suspensions denses se dilatent sous cisaillement et poussent contre une limite de confinement, la limite réagit avec une force de rappel qui est transmise entre les particules le long des contacts de frottement, ce qui entraîne une contrainte de cisaillement accrue. La contrainte de confinement est généralement due à la tension superficielle à l’interface liquide-air, et nous avons confirmé que les mesures de contrainte sont couplées à une dilatation superficielle intermittente. Le début du régime d’épaississement par cisaillement est généralement défini par une échelle de contraintes correspondant aux interactions des particules qui empêchent le cisaillement et la dilatation, que ces interactions proviennent d’un potentiel électrostatique, de champs électriques et magnétiques induits, de la gravité ou d’autres forces.
Nous avons identifié plusieurs connexions entre l’épaississement par cisaillement et la transition de coincement, où les particules sont emballées juste assez étroitement pour former une structure rigide. Nous avons constaté que la résistance de l’épaississement par cisaillement est contrôlée par une fraction d’emballage critique t qui coïncide avec le point de coincement de sorte que la résistance de l’épaississement par cisaillement se rapproche et diverge à cette fraction d’emballage critique. En collaboration avec le groupe de Joe DeSimone à l’Université de Caroline du Nord et Liquidia Technologies qui peuvent fabriquer des particules de différentes formes, nous avons pu montrer que le confinement de suspensions en forme de bâtonnets à quelques couches aboutit à un état ordonné et élimine l’épaississement par cisaillement, contrairement au fort désordre et à l’épaississement par cisaillement au point de brouillage. Étant donné que même de petites erreurs dans la fraction d’emballage entraînent de grandes incertitudes près d’un point critique, nous avons développé une technique pour mieux résoudre les données près du point critique en utilisant le taux de cisaillement critique comme référence au lieu de la fraction d’emballage.
Pour un aperçu de la recherche sur l’épaississement par cisaillement à l’état stable, voir ma critique, un résumé vidéo et de courts commentaires.
Réponse à l’impact
L’une des propriétés les plus spectaculaires des fluides épaississants par cisaillement est leur forte réponse à l’impact. Un exemple de cela peut être vu dans la capacité d’une personne à courir à la surface du fluide. La compréhension de ce phénomène peut nous permettre de tirer parti des propriétés uniques et impressionnantes de résistance aux chocs des fluides épaississants par cisaillement. En utilisant des expériences d’impact contrôlé, nous avons observé qu’une région coincée de manière transitoire de type solide se propage devant un impact qui est plus rapide qu’une vitesse critique. Si l’avant de cette région coincée atteint une limite solide, alors une région de type solide couvre le système et peut supporter une charge comme un solide. Cette structure est assez solide pour expliquer la capacité d’une personne à marcher ou à courir à la surface de la fécule de maïs et de l’eau. Nos travaux récents en collaboration avec le groupe de Marcelo Kallmann à l’Université de Californie à Merced montrent que ce phénomène et d’autres phénomènes longtemps associés à l’épaississement par cisaillement peuvent être simulés avec des modèles qui n’incluent pas l’épaississement par cisaillement directement dans la relation entre la contrainte de cisaillement et la vitesse de cisaillement rather ces phénomènes peuvent plutôt être attribués de manière plus appropriée à l’hystérésis dans la rhéologie. Nous avons développé un modèle de faible dimension dans lequel l’hystérésis provient d’une combinaison du temps nécessaire à une région coincée de manière transitoire pour se propager à travers le système et d’un temps de relaxation, en combinaison avec une rigidité du fluide semblable à un solide. Nos premières mesures d’un temps de relaxation révèlent que s’il peut être déterminé par la viscosité à l’état stationnaire de la suspension à des fractions de relaxation faibles, il reste de l’ordre de quelques secondes à des fractions de relaxation élevées, contrairement aux attentes d’un temps de relaxation allant à zéro dans la limite de la transition de coincement en fonction du comportement de la viscosité à l’état stationnaire.
Financement: NSF DMR 1410157 (CMP)