Eric Brown Lab
suspensies kunnen worden ontworpen met verschillende deeltjes en vloeistoffen om verschillende nuttige materiaaleigenschappen te produceren. Een dergelijke eigenschap is shear verdikking, die gemakkelijk te zien is in een suspensie van maïzena in water. Wanneer de vloeistof zwak wordt geroerd, voelt het als een normale vloeistof, maar wanneer harder geroerd voelt het dramatisch dikker en kan zelfs barsten als een vaste stof bij hoge spanningen. Wanneer het roeren stopt, wordt de vloeistof weer dun en vloeibaar-achtig. Dit ongebruikelijke gedrag komt over het algemeen voor in eenvoudige suspensies van dicht opeengepakte harde deeltjes zonder speciale interacties, en is over decennia bekend. Een van onze belangrijkste bijdragen was het ontwikkelen en testen van een model dat de spanningsschalen verklaart die bij afschuifverdikkingsmetingen worden waargenomen. We toonden aan dat wanneer deze dichte suspensies verwijden onder afschuiving en duwen tegen een begrenzende grens, de grens reageert met een herstelkracht die wordt overgedragen tussen deeltjes langs wrijvingscontacten wat leidt tot verhoogde afschuifspanning . De begrenzende spanning is meestal te wijten aan oppervlaktespanning op de vloeistof-lucht interface, en we hebben bevestigd dat spanningsmetingen worden gekoppeld aan intermitterende oppervlakte dilatatie . Het begin van het afschuifverdikkingsregime wordt in het algemeen bepaald door een spanningsschaal die overeenkomt met deeltjesinteracties die afschuiving en dilatatie voorkomen, ongeacht of deze interacties afkomstig zijn van een elektrostatisch potentieel, geïnduceerde elektrische en magnetische velden, zwaartekracht of andere krachten .
We hebben verschillende verbindingen geïdentificeerd tussen schuifverdikking en de blokkerende overgang, waar deeltjes net strak genoeg zijn verpakt om een stijve structuur te vormen. We ontdekten dat de sterkte van schuifverdikking wordt gecontroleerd door een kritische verpakkingsfractie t die samenvalt met het blokkeerpunt, zodat de sterkte van schuifverdikking sterker wordt dichter bij en divergeert bij deze kritische verpakkingsfractie . In samenwerking met Joe DeSimone ‘ s groep aan de Universiteit van North Carolina en Liquidia Technologies, die deeltjes van verschillende vormen kan fabriceren, hebben we kunnen aantonen dat opsluiting van staafvormige suspensies tot een paar lagen resulteert in een geordende toestand en shear verdikking elimineert, in tegenstelling tot de sterke stoornis en shear verdikking op het jamming point . Omdat zelfs kleine fouten in de verpakkingsfractie leiden tot grote onzekerheden in de buurt van een kritiek punt, hebben we een techniek ontwikkeld om gegevens in de buurt van het kritische punt beter op te lossen door de kritische afschuifsnelheid als referentie te gebruiken in plaats van de verpakkingsfractie .
voor een overzicht van het onderzoek naar steady-state shear thickening, zie my review, a video abstract, and short commentaries .
Impactrespons
een van de meest dramatische eigenschappen van schuifverdikkingsvloeistoffen is hun sterke respons op impact. Een voorbeeld hiervan kan worden gezien in het vermogen van een persoon om te lopen op het oppervlak van de vloeistof. Inzicht in deze verschijnselen kan ons in staat stellen om te profiteren van de unieke en indrukwekkende impact resistant eigenschappen van shear verdikking vloeistoffen. Met behulp van gecontroleerde impactexperimenten hebben we waargenomen dat een vaste, tijdelijk vastgelopen regio zich voortplant voor een impact die sneller is dan een kritische snelheid. Als de voorkant van dit vastgelopen gebied een vaste grens bereikt, dan is een solide-achtige regio overspant het systeem en kan een belasting als een vaste, ondersteunen . Deze structuur is sterk genoeg om het vermogen van een persoon om te lopen of te lopen op het oppervlak van maïzena en water te verklaren . Ons recente werk in samenwerking met Marcelo Kallmann ‘ s groep aan de Universiteit van Californië, Merced laat zien dat dit en andere verschijnselen die lang geassocieerd zijn met afschuifverdikking kunnen worden gesimuleerd met modellen die niet direct afschuifverdikking opnemen in de relatie tussen afschuifspanning en afschuifsnelheid-eerder kunnen deze verschijnselen beter worden toegeschreven aan hysterese in de reologie. We ontwikkelden een laagdimensionaal model waarin de hysterese voortkomt uit een combinatie van de tijd die nodig is voor een tijdelijk vastgelopen regio om zich over het systeem te verspreiden en een ontspanningstijd, in combinatie met een vaste stijfheid van de vloeistof . Onze eerste metingen van een ontspanningstijd laten zien dat bij lage verpakkingsfracties kan worden bepaald door de steady-state viscositeit van de suspensie, bij hoge verpakkingsfracties blijft het in de Orde van seconden, in tegenstelling tot de verwachtingen dat de relaxatietijd tot nul gaat in de limiet van de jamming overgang op basis van het gedrag van de steady-state viscositeit .
financiering: NSF DMR 1410157 (CMP)