Eric Brown Lab
suspensiile pot fi proiectate cu diferite particule și lichide pentru a produce diverse proprietăți utile ale materialului. O astfel de proprietate este îngroșarea forfecării, care este ușor de văzut într-o suspensie de amidon de porumb în apă. Când lichidul este agitat slab, se simte ca un lichid normal, dar când este agitat mai tare, se simte dramatic mai gros și poate chiar să crape ca un solid la solicitări mari. Când agitarea se oprește, lichidul devine din nou subțire și lichid. Acest comportament neobișnuit apare în general în suspensii simple de particule dure dens ambalate, fără interacțiuni speciale, și a fost cunoscut de zeci de ani. Una dintre contribuțiile noastre majore a fost dezvoltarea și testarea unui model care explică scalele de stres observate în măsurătorile de îngroșare a forfecării. Am arătat că atunci când aceste suspensii dense se dilată sub forfecare și se împing împotriva unei limite de limitare, limita răspunde cu o forță de refacere care este transmisă între particule de-a lungul contactelor de frecare, ducând la creșterea stresului de forfecare . Stresul de limitare se datorează de obicei tensiunii superficiale la interfața lichid-aer și am confirmat că măsurătorile de stres sunt cuplate la dilatarea intermitentă a suprafeței . Debutul regimului de îngroșare a forfecării este stabilit general de o scală de stres corespunzătoare interacțiunilor particulelor care împiedică forfecarea și dilatarea, indiferent dacă aceste interacțiuni provin dintr-un potențial electrostatic, câmpuri electrice și magnetice induse, gravitație sau alte forțe .
am identificat mai multe conexiuni între îngroșarea forfecării și tranziția de bruiaj, unde particulele sunt împachetate suficient de strâns pentru a forma o structură rigidă. Am constatat că rezistența îngroșării forfecării este controlată de o fracție critică de ambalare t care coincide cu punctul de blocare, astfel încât rezistența îngroșării forfecării devine mai puternică și diferă la această fracție critică de ambalare . În colaborare cu grupul lui Joe DeSimone de la Universitatea din Carolina de Nord și Liquidia Technologies care pot fabrica particule de diferite forme, am reușit să arătăm că închiderea suspensiilor în formă de tijă la câteva straturi are ca rezultat o stare ordonată și elimină îngroșarea forfecării, spre deosebire de tulburarea puternică și îngroșarea forfecării la punctul de blocare . Deoarece chiar și mici erori în fracția de ambalare duc la incertitudini mari în apropierea unui punct critic, am dezvoltat o tehnică pentru a rezolva mai bine datele din apropierea punctului critic folosind rata critică de forfecare ca referință în loc de fracție de ambalare .
pentru o prezentare generală a cercetărilor în îngroșarea forfecării la starea de echilibru, consultați recenzia mea , un rezumat video și comentarii scurte .
răspunsul la Impact
una dintre cele mai dramatice proprietăți ale fluidelor de îngroșare a forfecării este răspunsul lor puternic la impact. Un exemplu în acest sens poate fi văzut în capacitatea unei persoane de a alerga pe suprafața fluidului. Înțelegerea acestui fenomen ne poate permite să profităm de proprietățile unice și impresionante de rezistență la impact ale fluidelor de îngroșare a forfecării. Folosind experimente cu impact controlat, am observat că o regiune blocată tranzitoriu de tip solid se propagă în fața unui impact care este mai rapid decât o viteză critică. Dacă partea din față a acestei regiuni blocate atinge o limită solidă, atunci o regiune solidă se întinde pe sistem și poate susține o sarcină ca un solid , . Această structură este suficient de puternică pentru a explica capacitatea unei persoane de a merge sau de a alerga pe suprafața amidonului de porumb și a apei . Munca noastră recentă în colaborare cu grupul lui Marcelo Kallmann de la Universitatea din California, Merced arată că acest fenomen și alte fenomene asociate mult timp cu îngroșarea forfecării pot fi simulate cu modele care nu includ îngroșarea forfecării direct în relația dintre stresul de forfecare și rata de forfecare-mai degrabă aceste fenomene pot fi atribuite mai adecvat histerezisului în reologie. Am dezvoltat un model cu dimensiuni reduse în care histerezisul provine dintr-o combinație a timpului necesar pentru ca o regiune blocată tranzitoriu să se propage în sistem și un timp de relaxare, în combinație cu o rigiditate solidă a fluidului . Primele noastre măsurători ale unui timp de relaxare arată că, în timp ce la fracții de ambalare scăzute poate fi determinat de vâscozitatea la starea de echilibru a suspensiei, la fracții de ambalare ridicate rămâne de ordinul secundelor, spre deosebire de așteptările timpului de relaxare care va ajunge la zero în limita tranziției de bruiaj Pe baza comportamentului vâscozității la starea de echilibru .
finanțare: NSF DMR 1410157 (CMP)