Eric Brown Lab
Le sospensioni possono essere progettate con diverse particelle e liquidi per produrre varie proprietà utili del materiale. Una di queste proprietà è l’ispessimento del taglio, che è facilmente visibile in una sospensione di amido di mais in acqua. Quando il fluido viene agitato debolmente, sembra un liquido normale, ma quando mescolato più duramente si sente drammaticamente più spesso e può persino rompersi come un solido ad alte sollecitazioni. Quando l’agitazione si ferma, il fluido diventa di nuovo sottile e liquido. Questo comportamento insolito si verifica generalmente in sospensioni semplici di particelle dure densamente imballate senza interazioni speciali ed è noto da decenni. Uno dei nostri principali contributi è stato quello di sviluppare e testare un modello che spiegasse le scale di stress osservate nelle misurazioni dell’ispessimento del taglio. Abbiamo dimostrato che quando queste sospensioni dense si dilatano sotto taglio e spingono contro un confine di confinamento, il confine risponde con una forza di ripristino che viene trasmessa tra le particelle lungo i contatti di attrito che portano ad un aumento dello stress di taglio . Lo stress di confinamento è solitamente dovuto alla tensione superficiale all’interfaccia liquido-aria, e abbiamo confermato che le misure di stress sono accoppiate alla dilatazione superficiale intermittente . L’inizio del regime di ispessimento del taglio è generalmente impostato da una scala di stress corrispondente alle interazioni di particelle che impediscono il taglio e la dilatazione, sia che tali interazioni provengano da un potenziale elettrostatico, campi elettrici e magnetici indotti, gravità o altre forze .
Abbiamo identificato diverse connessioni tra l’ispessimento del taglio e la transizione di blocco, dove le particelle sono imballate abbastanza strettamente da formare una struttura rigida. Abbiamo scoperto che la forza dell’ispessimento del taglio è controllata da una frazione di imballaggio critica t che coincide con il punto di blocco in modo tale che la forza dell’ispessimento del taglio si avvicina più forte e diverge a questa frazione di imballaggio critica . In collaborazione con il gruppo di Joe DeSimone presso l’Università del North Carolina e Liquidia Technologies che possono fabbricare particelle di forme diverse, siamo stati in grado di dimostrare che il confinamento di sospensioni a forma di bastoncello a pochi strati si traduce in uno stato ordinato ed elimina l’ispessimento del taglio, in contrasto con il forte disturbo e l’ispessimento del taglio Poiché anche piccoli errori nella frazione di imballaggio portano a grandi incertezze vicino a un punto critico, abbiamo sviluppato una tecnica per risolvere meglio i dati vicino al punto critico utilizzando la velocità di taglio critica come riferimento anziché la frazione di imballaggio .
Per una panoramica della ricerca in steady-state shear thickening, vedere la mia recensione , un abstract video, e brevi commenti .
Risposta all’impatto
Una delle proprietà più drammatiche dei fluidi di ispessimento del taglio è la loro forte risposta all’impatto. Un esempio di questo può essere visto nella capacità di una persona di correre sulla superficie del fluido. La comprensione di questo fenomeno può permetterci di sfruttare le proprietà uniche e impressionanti di resistenza agli urti dei fluidi ispessenti al taglio. Utilizzando esperimenti di impatto controllato, abbiamo osservato che una regione transitoriamente inceppata simile a un solido si propaga di fronte a un impatto che è più veloce di una velocità critica. Se la parte anteriore di questa regione inceppata raggiunge un limite solido, una regione simile a un solido attraversa il sistema e può supportare un carico come un solido , . Questa struttura è abbastanza forte da spiegare la capacità di una persona di camminare o correre sulla superficie di amido di mais e acqua . Il nostro recente lavoro in collaborazione con il gruppo di Marcelo Kallmann presso l’Università della California, Merced mostra che questo e altri fenomeni a lungo associati all’ispessimento del taglio possono essere simulati con modelli che non includono l’ispessimento del taglio direttamente nella relazione tra sforzo di taglio e velocità di taglio rather piuttosto questi fenomeni possono essere attribuiti più appropriatamente all’isteresi nella reologia. Abbiamo sviluppato un modello a bassa dimensione in cui l’isteresi deriva da una combinazione del tempo necessario per una regione transitoriamente inceppata per propagarsi attraverso il sistema e un tempo di rilassamento, in combinazione con una rigidità solida del fluido . Le nostre prime misurazioni di un tempo di rilassamento rivelano che mentre alle frazioni di imballaggio basse può essere determinato dalla viscosità allo stato stazionario della sospensione, alle frazioni di imballaggio alte rimane sull’ordine dei secondi, in contrasto con le aspettative del tempo di rilassamento che va a zero nel limite della transizione di blocco basata sul comportamento della viscosità allo stato stazionario .
Finanziamento: NSF DMR 1410157 (CMP)