Tandkräm, ansiktskrämer, hårgelé, majonnäs och ketchup är hushållsartiklar som de flesta inte tänker på, men när det gäller deras flödesbeteende, de har ovanliga egenskaper. De är alla elasto-visco-plast (EVP) material, som beter sig som fasta ämnen i vila, men kan ge efter för att flyta som vätskor när den utsätts för tillräckligt mycket stress. Trots deras allestädes närvarande, förmågan att modellera och förutsäga sitt beteende bygger på en teori som endast har visat sig fungera under vissa förhållanden.

Forskare från Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) och Laboratory of Fluid Mechanics and Rheology vid University of Patras har avslöjat insikter om dessa material genom att kombinera experiment med simuleringar. Deras forskning, publiceras i PNAS , antyder att materialens elasticitet i sitt fasta tillstånd är en nyckelegenskap som bör ingå i framtida modeller.

"Under det senaste decenniet, framsteg inom mikrofluidikexperiment har avslöjat många oväntade fenomen i flödet av EVP-material, " sa professor John Tsamopoulos, från universitetet i Patras. "Exempel inkluderar de spetsade formerna av bubblor i gelerna och förlusten av symmetri i flödet. Dessa och andra observationer antydde att något saknades i den befintliga teorin. Tidigare forskning i vårt labb antydde att elasticitet, förmågan hos materialets mikrostruktur att deformeras innan det ger efter, var den saknade delen av pusslet."

Professor Amy Shen, som leder OIST-enheten, sa, "Även när grundläggande hushållsartiklar ställs åt sidan, att ha en grundläggande förståelse för hur EVP-materialflödet är mycket användbart, särskilt inom biomedicinsk vetenskap och geofysik." Till exempel, hon förklarade, blod är ett EVP-material – det beter sig som ett fast ämne i vila, men flyter som en vätska i artärer. Vad mer, tillade hon, vissa 3D-tryckta vävnader och ställningar kan ha EVP-egenskaper, och, på geofysiksidan, vulkanisk lava beter sig som ett EVP-material om än i mycket större skala.

Tidigare experimentell forskning på EVP-material har mätt deras beteende under skjuvflöde, erhålls när lager av vätska glider förbi varandra. Men, när det gäller industriell bearbetning och användning av dessa material, såsom fiberspinning och kretskortsutskrift, det är ofta det förlängda flödet – när vätskan sträcks ut – som är viktigare.

Studiet av rent förlängningsflöden är en stor utmaning inom experimentell vätskedynamik, och det extensionella flödet av EVP-material har aldrig tidigare framgångsrikt mätts i experiment. För att uppnå detta för första gången, Dr Simon Haward, gruppledaren från Micro/Bio/Nanofluidics Unit, använde en ny mikrofluidisk apparat känd som en cross-slot-geometri. Apparaten bestod av fyra kanaler som alla var i rät vinkel mot varandra.

"Inuti tvärslitsgeometrin, vi använde en Pluronic-lösning, ett välkänt EVP-material, " sa Dr Haward. "När vi sätter press på de två inkommande kanalerna, som låg mitt emot varandra, lösningen trycktes mot mittpunkten och den kom ut ur de andra två kanalerna. Det resulterande flödet har en punkt i mitten där hastigheten går till noll. I de två utgående kanalerna, vi genererade ett förlängningsflöde där vätskan sträcktes."

Under tiden, Professor Yannis Dimakopoulos och forskare vid University of Patras skapade en teoretisk modell och simulerade flödet av två EVP-material - Pluronic-lösningen och ett annat material som heter Carbopol. De visade att komplexa mönster uppstod i flödet, vilket inkluderade närvaron av stelnade områden omgivna av flytande tillstånd. Deras resultat matchade experimenten som utfördes vid OIST.

"Denna modell kan beskriva enkla EVP-material vid skjuvning, extensionella och blandade flöden. Även om vi bara fokuserade på två material, den kan användas på en mängd olika med varierande nivåer av elasticitet, formbarhet, viskositet, och andra fastigheter, sade Stelios Varchanis, en Ph.D. kandidat vid University of Patras och första författare till uppsatsen. "Detta gör modellen lämplig för att simulera flöden under design och optimering av olika industriella processer."

Denna forskning tyder på att den befintliga teorin måste ses över för att inkludera materialets elasticitet. "Beroende på mängden deformation som EVP-materialet kan tåla innan det ger efter, den kommer antingen att bete sig på ett sätt nära vad som förutsägs av den existerande teorin eller kommer att bete sig mer som ett flytande elastiskt fast material, sa Stelios.

"Experimenten på OIST komplimenterade simuleringarna, sa Dr Cameron Hopkins, från OIST Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "Även om Pluronic-lösningen som vi studerade bara uppvisar svaga elastiska effekter, en liten mängd asymmetri observerades i flödet, vilket indikerar en avvikelse från rent vätskeliknande beteende, så elasticiteten kan inte försummas. Våra experiment gav starkt stöd för den föreslagna modifieringen av teorin."

Denna forskning involverade också Dr. Alexandros Syrakos från University of Patras.