Eric Brown Lab
zawiesiny mogą być zaprojektowane z różnymi cząstkami i cieczami, aby uzyskać różne użyteczne właściwości materiału. Jedną z takich właściwości jest zagęszczanie ścinania, które jest łatwo widoczne w zawiesinie skrobi kukurydzianej w wodzie. Gdy płyn miesza się słabo, czuje się jak normalna ciecz, ale gdy miesza się mocniej, czuje się znacznie grubszy i może nawet pękać jak ciało stałe przy dużych naprężeniach. Gdy mieszanie ustaje, płyn staje się cienki i znowu podobny do cieczy. To niezwykłe zachowanie występuje zwykle w prostych zawiesinach gęsto upakowanych twardych cząstek bez żadnych specjalnych oddziaływań i jest znane od dziesięcioleci. Jednym z naszych głównych osiągnięć było opracowanie i przetestowanie modelu, który wyjaśnia skale naprężeń obserwowane w pomiarach zagęszczania ścinania. Pokazaliśmy, że kiedy te gęste zawiesiny rozszerzają się pod ścinaniem i naciskają na granicę ograniczającą, granica reaguje siłą przywracającą, która jest przenoszona między cząstkami wzdłuż styków ciernych, co prowadzi do zwiększonego naprężenia ścinającego . Naprężenie ograniczające jest zwykle spowodowane napięciem powierzchniowym na styku ciecz-powietrze i potwierdziliśmy, że pomiary naprężeń są połączone z przerywanym dylatacją powierzchni . Początek reżimu zagęszczania ścinania jest ogólnie określony przez skalę naprężeń odpowiadającą oddziaływaniom cząstek, które zapobiegają ścinaniu i dylatacji, niezależnie od tego, czy te oddziaływania pochodzą z potencjału elektrostatycznego, indukowanego pola elektrycznego i magnetycznego, grawitacji lub innych sił .
zidentyfikowaliśmy kilka połączeń między zgrubieniem ścinania a zakleszczeniem, w którym cząstki są wystarczająco ciasno upakowane, aby utworzyć sztywną strukturę. Stwierdziliśmy, że wytrzymałość zgrubienia ścinającego jest kontrolowana przez krytyczną frakcję pakowania t, która pokrywa się z punktem zagłuszania, dzięki czemu wytrzymałość zgrubienia ścinającego staje się silniejsza i różni się w tej krytycznej frakcji pakowania . We współpracy z grupą Joe DeSimone ’ a z Uniwersytetu Północnej Karoliny i firmą Liquidia Technologies, która może wytwarzać cząstki o różnych kształtach, udało nam się pokazać, że zamknięcie zawiesin w kształcie pręta do kilku warstw powoduje uporządkowany stan i eliminuje pogrubienie ścinania, w przeciwieństwie do silnego zaburzenia i pogrubienia ścinania w punkcie zacinania . Ponieważ nawet niewielkie błędy w frakcji pakującej prowadzą do dużych niepewności w pobliżu punktu krytycznego, opracowaliśmy technikę lepszego rozwiązywania danych w pobliżu punktu krytycznego, wykorzystując krytyczną szybkość ścinania jako punkt odniesienia zamiast frakcji pakującej .
przegląd badań dotyczących zagęszczania ścinania w stanie stacjonarnym znajduje się w mojej recenzji, streszczeniu wideo i krótkich komentarzach .
odpowiedź na uderzenia
jedną z najbardziej dramatycznych właściwości płynów zagęszczających ścinanie jest ich silna reakcja na uderzenia. Przykładem tego może być zdolność osoby do biegania po powierzchni płynu. Zrozumienie tego zjawiska może pozwolić nam skorzystać z unikalnych i imponujących właściwości odpornych na uderzenia płynów zagęszczających ścinanie. Korzystając z eksperymentów z kontrolowanym uderzeniem, zaobserwowaliśmy, że przelotnie zakrzywiony Region o kształcie ciała stałego propaguje się przed uderzeniem, które jest szybsze niż prędkość krytyczna. Jeśli przód tego zakleszczonego obszaru osiągnie granicę stałą, wtedy obszar podobny do bryły rozciąga się na system i może obsługiwać ładunek podobny do bryły , . Struktura ta jest wystarczająco silna, aby wyjaśnić zdolność osoby do chodzenia lub biegania po powierzchni skrobi kukurydzianej i wody . Nasza niedawna praca we współpracy z grupą Marcelo Kallmanna na Uniwersytecie Kalifornijskim, Merced pokazuje, że to i inne zjawiska długo związane z zagęszczaniem ścinania mogą być symulowane za pomocą modeli, które nie uwzględniają zagęszczania ścinania bezpośrednio w relacji między naprężeniem ścinającym a szybkością ścinania – raczej zjawiska te można bardziej odpowiednio przypisać histerezie w reologii. Opracowaliśmy model niskowymiarowy, w którym Histereza pochodzi z połączenia czasu potrzebnego na przemijające zakleszczenie obszaru do propagacji w systemie i czasu relaksacji, w połączeniu z sztywnością płynu. Nasze pierwsze pomiary czasu relaksacji ujawniają, że podczas gdy przy frakcjach o niskim pakowaniu można go określić na podstawie lepkości stacjonarnej zawiesiny, przy frakcjach o wysokim pakowaniu pozostaje on rzędu sekund, w przeciwieństwie do oczekiwań, że czas relaksacji wyniesie zero w granicy przejścia zakleszczenia w oparciu o zachowanie lepkości stacjonarnej .
dofinansowanie: NSF DMR 1410157 (CMP)