Eric Brown Lab
suspensioner kan utformas med olika partiklar och vätskor för att producera olika användbara materialegenskaper. En sådan egenskap är skjuvförtjockning, som lätt ses i en suspension av majsstärkelse i vatten. När vätskan omrörs svagt känns det som en vanlig vätska, men när den rörs hårdare känns den dramatiskt tjockare och kan till och med spricka som ett fast ämne vid höga spänningar. När omrörningen stannar blir vätskan tunn och flytande igen. Detta ovanliga beteende förekommer i allmänhet i enkla suspensioner av tätt packade hårda partiklar utan några speciella interaktioner och har varit känt i årtionden. Ett av våra stora bidrag var att utveckla och testa en modell som förklarar de stressskalor som observerats i skjuvförtjockningsmätningar. Vi visade att när dessa täta suspensioner dilaterar under skjuvning och trycker mot en begränsande gräns, svarar gränsen med en återställningskraft som överförs mellan partiklar längs friktionskontakter som leder till ökad skjuvspänning . Begränsningsspänningen beror vanligtvis på ytspänning vid vätske-luftgränssnittet, och vi har bekräftat att spänningsmätningar är kopplade till intermittent ytutvidgning . Uppkomsten av skjuvförtjockningsregimen fastställs generellt av en spänningsskala som motsvarar partikelinteraktioner som förhindrar skjuvning och utvidgning, oavsett om dessa interaktioner kommer från en elektrostatisk potential, inducerade elektriska och magnetiska fält, gravitation eller andra krafter .
Vi har identifierat flera kopplingar mellan skjuvförtjockning och störningsövergången, där partiklar packas precis tillräckligt tätt för att bilda en styv struktur. Vi fann styrkan hos skjuvförtjockning styrs av en kritisk förpackningsfraktion t som sammanfaller med störningspunkten så att styrkan hos skjuvförtjockning blir starkare närmare och avviker vid denna kritiska förpackningsfraktion . I samarbete med Joe Desimones grupp vid University of North Carolina och Liquidia Technologies som kan tillverka partiklar av olika former har vi kunnat visa att inneslutning av stavformade suspensioner till några lager resulterar i ett ordnat tillstånd och eliminerar skjuvförtjockning, i motsats till den starka störningen och skjuvförtjockningen vid störningspunkten . Eftersom även små fel i förpackningsfraktionen leder till stora osäkerheter nära en kritisk punkt, utvecklade vi en teknik för att bättre lösa data nära den kritiska punkten genom att använda den kritiska skjuvhastigheten som referens istället för förpackningsfraktion .
för en översikt över forskning i steady-state skjuvning förtjockning, se min recension, en video abstrakt, och korta kommentarer .
Impact response
en av de mest dramatiska egenskaperna hos skjuvförtjockningsvätskor är deras starka svar på påverkan. Ett exempel på detta kan ses i en persons förmåga att springa på vätskans yta. Förståelse av detta fenomen kan tillåta oss att dra nytta av de unika och imponerande Slagtåliga egenskaperna hos skjuvförtjockningsvätskor. Med hjälp av kontrollerade slagförsök har vi observerat att en fastliknande övergående fastnat region sprider sig framför en påverkan som är snabbare än en kritisk hastighet. Om framsidan av denna fastnat region når en fast gräns, sedan en fast-liknande region spänner över systemet och kan stödja en belastning som en fast,. Denna struktur är stark nog för att förklara en persons förmåga att gå eller springa på ytan av majsstärkelse och vatten . Vårt senaste arbete i samarbete med Marcelo Kallmanns grupp vid University of California, Merced visar att detta och andra fenomen som länge är förknippade med skjuvförtjockning kan simuleras med modeller som inte inkluderar skjuvförtjockning direkt i förhållandet mellan skjuvspänning och skjuvhastighet-snarare kan dessa fenomen mer lämpligt tillskrivas Hysteres i reologin. Vi utvecklade en lågdimensionell modell där hysteresen kommer från en kombination av den tid det tar för en övergående fastnat region att sprida sig över systemet och en avslappningstid, i kombination med en fastliknande styvhet i vätskan . Våra första mätningar av en avslappningstid avslöjar att vid låga förpackningsfraktioner kan den bestämmas av suspensionens steady-state viskositet, vid höga förpackningsfraktioner förblir den i storleksordningen sekunder, i motsats till förväntningarna på avslappningstiden som går till noll i gränsen för störningsövergången baserat på beteendet hos steady-state viskositet .
finansiering: NSF DMR 1410157 (CMP)