Eric Brown Lab

szuszpenziók lehet tervezni a különböző részecskék és folyadékok előállításához különböző hasznos anyag tulajdonságait. Az egyik ilyen tulajdonság a nyírási megvastagodás, amely könnyen látható a kukoricakeményítő vízben való szuszpenziójában. Ha a folyadékot gyengén keverjük, úgy érzi, mint egy normál folyadék, de ha keményebben keverjük, drámaian vastagabbnak érzi magát, és akár szilárd anyagként is megrepedhet nagy feszültségek esetén. Amikor a keverés leáll, a folyadék ismét vékonyabbá és folyadékszerűvé válik. Ez a szokatlan viselkedés általában sűrűn csomagolt kemény részecskék egyszerű szuszpenzióiban fordul elő, különleges kölcsönhatások nélkül, és évtizedek óta ismert. Az egyik legfontosabb hozzájárulásunk egy olyan modell kifejlesztése és tesztelése volt, amely megmagyarázza a nyírási megvastagodási mérések során megfigyelt stressz skálákat. Megmutattuk, hogy amikor ezek a sűrű szuszpenziók nyírás alatt kitágulnak, és egy határoló határhoz nyomódnak, a határ egy helyreállító erővel reagál, amelyet a részecskék között súrlódási érintkezők mentén továbbítanak, ami fokozott nyírófeszültséghez vezet . A korlátozó feszültség általában a folyadék-levegő interfészen lévő felületi feszültségnek köszönhető, és megerősítettük, hogy a feszültségmérések szakaszos felületi táguláshoz kapcsolódnak . A nyírási sűrűség kialakulását általában a nyíró-és tágulást megakadályozó részecske-kölcsönhatásoknak megfelelő feszültségskála határozza meg, függetlenül attól, hogy ezek a kölcsönhatások elektrosztatikus potenciálból, indukált elektromos és mágneses mezőből, gravitációból vagy más erőkből származnak-e .

számos kapcsolatot azonosítottunk a nyíró megvastagodása és a zavaró átmenet között, ahol a részecskék elég szorosan vannak csomagolva ahhoz, hogy merev szerkezetet képezzenek. Megállapítottuk, hogy a nyírási sűrítés erősségét egy kritikus t csomagolási frakció szabályozza, amely egybeesik az elakadási ponttal, így a nyírási sűrítés erőssége közelebb kerül és eltér ettől a kritikus csomagolási frakciótól . Az Észak-Karolinai Egyetem Joe DeSimone csoportjával és a Liquidia Technologies-szal együttműködve, akik különböző formájú részecskéket tudnak előállítani, meg tudtuk mutatni, hogy a rúd alakú szuszpenziók néhány réteghez való elzáródása rendezett állapotot eredményez, és kiküszöböli a nyírási megvastagodást, szemben az erős rendellenességgel és a nyírási megvastagodással az elakadási ponton . Mivel még a csomagolási frakció apró hibái is nagy bizonytalanságokhoz vezetnek egy kritikus pont közelében, kifejlesztettünk egy technikát az adatok jobb megoldására a kritikus pont közelében, a kritikus nyírási sebesség referenciaként történő felhasználásával a csomagolási frakció helyett .

az egyensúlyi állapotú nyírási megvastagodással kapcsolatos kutatások áttekintését lásd a felülvizsgálatomban, egy videó absztraktban és rövid kommentárokban .

Hatásválasz

a nyíró sűrítő folyadékok egyik legdrámaibb tulajdonsága az erős reakció az ütésre. Erre példa látható abban, hogy egy személy képes a folyadék felületén futni. Ennek a jelenségnek a megértése lehetővé teheti számunkra, hogy kihasználjuk a nyíró sűrítő folyadékok egyedi és lenyűgöző Ütésálló tulajdonságait. Ellenőrzött ütközési kísérletek segítségével megfigyeltük, hogy egy szilárd, mint átmenetileg elakadt régió terjed egy olyan ütközés előtt, amely gyorsabb, mint egy kritikus sebesség. Ha ennek az elakadt régiónak az eleje elér egy szilárd határt, akkor egy szilárdszerű régió átfogja a rendszert, és támogathatja a terhelést, mint egy szilárd,. Ez a szerkezet elég erős ahhoz, hogy megmagyarázza az ember azon képességét, hogy sétáljon vagy futjon a kukoricakeményítő és a víz felszínén . A közelmúltban végzett munkánk Marcelo Kallmann csoportjával együttműködve a Kaliforniai Egyetemen, Merced azt mutatja, hogy ez és más, a nyírási megvastagodással régóta összefüggő jelenségek szimulálhatók olyan modellekkel, amelyek nem tartalmazzák a nyírási megvastagodást közvetlenül a nyírófeszültség és a nyírási sebesség közötti kapcsolatban-inkább ezek a jelenségek megfelelőbben tulajdoníthatók a hiszterézisnek a reológiában. Kidolgoztunk egy alacsony dimenziós modellt, amelyben a hiszterézis abból az időből származik, amely alatt egy átmenetileg elakadt régió átterjed a rendszeren, és egy relaxációs idő, kombinálva a folyadék szilárd merevségével . A relaxációs idő első mérései azt mutatják, hogy míg alacsony csomagolási frakcióknál a szuszpenzió állandósult viszkozitása határozható meg, magas csomagolási frakcióknál másodpercek sorrendjében marad, ellentétben azzal a várakozással, hogy a relaxációs idő nullára csökken a zavarási átmenet határában az állandósult viszkozitás viselkedése alapján .

finanszírozás: NSF DMR 1410157 (CMP)