Eric Brown Lab

Suspensjoner kan utformes med forskjellige partikler og væsker for å produsere ulike nyttige materialegenskaper. En slik egenskap er skjærtykkelse, som lett kan ses i en suspensjon av maisstivelse i vann. Når væsken blir rørt svakt, føles det som en vanlig væske, men når den blir rørt, føles den dramatisk tykkere og kan til og med sprekke som et fast stoff ved høye belastninger. Når omrøringen stopper, blir væsken tynn og væskelignende igjen. Denne uvanlige oppførselen forekommer vanligvis i enkle suspensjoner av tett pakket harde partikler uten noen spesielle interaksjoner, og har vært kjent om i flere tiår. Et av våre viktigste bidrag var å utvikle og teste en modell som forklarer stressskalaene observert i skjærtykkelsesmålinger. Vi viste at når disse tette suspensjonene utvides under skjær og skyver mot en avgrensningsgrense, reagerer grensen med en gjenopprettingskraft som overføres mellom partikler langs friksjonskontakter som fører til økt skjærspenning . Begrensningsspenningen skyldes vanligvis overflatespenning ved væske-luftgrensesnittet, og vi har bekreftet at spenningsmålinger er koblet til intermitterende overflateutvidelse . Utbruddet av skjærtykkelsesregimet er generelt satt av en stressskala som svarer til partikkelinteraksjoner som forhindrer skjær og dilatasjon, enten disse interaksjonene kommer fra et elektrostatisk potensial, induserte elektriske og magnetiske felt, tyngdekraft eller andre krefter .

vi har identifisert flere sammenhenger mellom skjærtykkelse og fastkjøring, hvor partikler er pakket akkurat tett nok til å danne en stiv struktur. Vi fant styrken av skjærtykkelse styres av en kritisk pakningsfraksjon t som sammenfaller med fastkjøringspunktet slik at styrken av skjærtykkelse blir sterkere nærmere og divergerer ved denne kritiske pakningsfraksjonen . I samarbeid Med Joe Desimones gruppe Ved University Of North Carolina og Liquidia Technologies som kan fremstille partikler av forskjellige former, har vi vært i stand til å vise at inneslutning av stavformede suspensjoner til noen få lag resulterer i en ordnet tilstand og eliminerer skjærtykkelse, i motsetning til den sterke lidelsen og skjærtykkelsen ved fastkjøringspunktet . Siden selv små feil i pakkefraksjon fører til store usikkerheter nær et kritisk punkt, utviklet vi en teknikk for å bedre løse data nær det kritiske punktet ved å bruke den kritiske skjærfrekvensen som referanse i stedet for pakkefraksjon .

for en oversikt over forskning i steady-state skjær jevning, se min anmeldelse, en video abstrakt, og korte kommentarer .

Impact response

en av de mest dramatiske egenskapene til skjærfortykningsvæsker er deres sterke respons på støt. Et eksempel på dette kan ses i evnen til en person til å løpe på overflaten av væsken. Forståelse av dette fenomenet kan tillate oss å dra nytte av de unike og imponerende innvirkning motstå egenskapene til skjær jevning væsker. Ved hjelp av kontrollerte slagforsøk har vi observert at en solid-lignende transiently fastkjørt region forplanter seg foran en innvirkning som er raskere enn en kritisk hastighet. Hvis fronten av denne fastkjørte regionen når en solid grense, spenner en solid-lignende region over systemet og kan støtte en last som en solid , . Denne strukturen er sterk nok til å forklare en persons evne til å gå eller løpe på overflaten av maisstivelse og vann . Vårt siste arbeid i samarbeid Med Marcelo Kallmanns gruppe ved University Of California, Viser Merced at dette og andre fenomener som lenge er forbundet med skjærtykkelse, kan simuleres med modeller som ikke inkluderer skjærtykkelse direkte i forholdet mellom skjærspenning og skjærhastighet-snarere kan disse fenomenene være mer hensiktsmessig tilskrevet hysterese i reologien. Vi utviklet en lavdimensjonal modell der hysteresen kommer fra en kombinasjon av tiden det tar for en forbigående fastkjørt region å forplante seg over systemet og en avslapningstid, i kombinasjon med en solidlignende stivhet av væsken . Våre første målinger av en avslapningstid viser at mens det ved lave pakningsfraksjoner kan bestemmes av suspensjonens steady-state viskositet, ved høye pakningsfraksjoner forblir det i rekkefølge av sekunder, i motsetning til forventningene om avslapningstiden som går til null i grensen for fastkjøringsovergangen basert på oppførselen til steady-state viskositeten .

Finansiering: NSF DMR 1410157 (CMP)