Tandkräm har ett hårt jobb. Det måste inte bara utföra viktiga funktioner som att skrubba kafferester från dina pärlvita, utan det måste också stanna i röret, komma ut smidigt under tryck och balansera på ett gäng borst utan att rinna över hela badrumshandfatet.
Och varje användare, överallt, uppskattar det när överflödig pasta som extruderas, men inte behövs på tandborsten, glider sömlöst tillbaka in i tuben.
Detta är ett exempel på en tixotrop elastoplastisk suspension gjord av många olika partiklar. Nu är det en munsbit.
Enligt Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford ordförande i kemi- och biomolekylär teknik vid University of Delaware, finns dessa typer av suspensioner i allt från lotioner till 3D-utskriftsbläck till byggstensmaterial för föremål, inklusive gummidäck, leror, cement och mer.
Många av dessa material tillverkas genom experiment – försök och misstag. Har ditt däckmaterial inte tillräckligt med stötdämpning? Blanda ihop en ny sats partiklar för att minska studsen.
Wagner och ett team av UD-forskare undrade om det fanns ett sätt att utgå från en grundläggande bild av partiklarna och deras interaktioner på fronten, som kunde kontrolleras genom kemin, för att utveckla en slutprodukt med önskade materialegenskaper.
Resultatet är en grundmodell med tillämpningar för att förstå en mängd olika material, inklusive mänskligt blodflöde, konsumentprodukter som plast eller kimrök och kiseldioxiddispergeringar som finns i industriprodukter för tillverkning av däck till halvledare.
Forskargruppens tillvägagångssätt presenterades nyligen på omslaget till AIChE Journal .
När ingenjörer över hela landet samlas i Orlando, Florida, den här veckan för AIChE årsmöte 2023, som hölls 5–10 november, pratade UDaily med Wagner om arbetet.
Wagner:Saker som tandkräm, cement, geopolymerer – även vanliga hushållsprodukter som din plastflaska för tvättmedel – består av många partiklar som kombineras eller går sönder under olika förhållanden. I tandkrämen finns det partiklar för att rengöra, fräscha upp andan och se till att tandkrämen skummar. Partiklar i plast som en tvättmedelsflaska ger flaskan dess färg.
Detta dokument tar upp ett nytt tillvägagångssätt som vi har utvecklat i vår grupp för att utgå från en grundläggande bild av partiklarna och deras interaktioner för att koppla ihop prickarna mellan materialets struktur, hur det påverkas av bearbetningsflödet och hur det leder till en slutgiltig materialets egenskaper.
I teorin skulle detta tillåta oss att börja med en grundläggande beskrivning, som du kan styra genom kemin, och sedan utveckla en slutprodukt som ger dig de önskade materialegenskaperna. Modellen är baserad på befolkningsbalansmodellering, ett mycket kraftfullt verktyg som används inom kemiteknik, såväl som andra discipliner. Till exempel använde min forskargrupp det här verktyget under pandemin för att modellera hur beteende kan påverka överföringen av coronavirus (COVID-19) i UD-gemenskapen.
Wagner:Detta kan vara att se till att tandkrämen stannar på tandborsten eller att ketchupen stannar på varmkorven utan att göra en röra. Det är trivialt. Men ta en solpanel, där det finns anslutningar som görs genom silverpartiklar i en pasta. Här vill du i princip screentrycka en slurry av silverpartiklar och sedan smälta ihop dessa silverpartiklar för att göra trådarna. Nu, om du kan förbättra det, kommer du att göra solpaneler som håller längre, men den tråden täcker också några av de paneler som kan samla in solenergi.
Så, en möjlig tillämpning där denna typ av modellering är mycket viktig är industriella processer som tryckning, för om vi kan göra trådarna bättre, smalare eller mer enhetliga, genom att förstå hur vi bättre formulerar pastan för att få den utskrift vi vill ha, kan vi kanske kunna förbättra en solpanels effektivitet med några procent. Multiplicera de få procenten med ett oändligt antal solpaneler, och det är ett stort antal.
Så där du vill ha bättre produkter, tuffare plaster, bättre bilsaker, möjligheten att 3D-printa fyllda system som keramik, metaller eller cement, behöver du en bättre kontroll över materialets flödesbeteende och slutliga egenskaper.
Wagner:Blodflödet är intressant. Blodkroppar är partiklar. I din kropp samlas röda blodkroppar och de staplas som mynt. Dessa staplar bildar aggregat av partiklar som är viktiga för hur blodet flödar genom kroppen, ditt hjärta och artärer, till exempel.
Vi behöver blodkroppar för att aggregera för saker som koagulering, men vi vill inte att de ska samlas på fel plats vid fel tidpunkt. Så det är viktigt att modellera detta på rätt sätt för användningsfall, som sjukvårdsutrustning eller andra applikationer.
Fråga:Varför är det en stor sak att ha ditt arbete med på omslaget till AIChE Journal ?
Wagner:För kemiteknik är detta flaggskeppstidningen för vår disciplin. Det är speciellt. Det är ett fundamentalt nytt tillvägagångssätt. Människor har gjort populationsbalansmodeller och modellerat dessa typer av vätskor empiriskt under lång tid. Men folk har inte riktigt gjort kopplingen på ett sätt som är en grund för fortsatt arbete i framtiden.
Vi gjorde teorin. Vi har experimentella data som hjälpte till att validera denna grundläggande vetenskap, och det finns tydliga tillämpningar på många industriella problem där det kan vara värt att prova detta tillvägagångssätt.
Wagner:Det är intressant att tänka på de inblandade – särskilt eleverna och var de hamnade efter det här arbetet. Till exempel är Soham Jarawal, som gjorde modellarbetet och baserade sin doktorsavhandling på detta projekt, nu på W.L. Gore gör blodflödesmodellering. Julie Hipp, en före detta doktorand, utförde prisbelönt neutronspridningsarbete för att mäta dessa partikelfördelningar och storlekar under flöde i kimrök som hjälpte till att validera denna nya teori. Idag är hon anställd av Procter and Gamble. Sedan finns det Rong Song, som tillbringade tid med Chemours på titandioxidpartikelteknologi samtidigt som hon avslutade sin masterexamen vid UD.
Detta arbete är ett vackert exempel på hur olika expertis och samarbeten går samman för att göra något grundläggande som kan användas för att förbättra material som finns överallt från hälsovård till industri till konsumentprodukter och processer. Det är också en lins på de platser som dessa medarbetare tar vad de har lärt sig, deras utbildning och erfarenheter och växer i nya riktningar utanför UD.
Mer information: Soham Jariwala et al, En polydispers modell för tixotropiska elastoviskoplastiska suspensioner av aggregerande partiklar med användning av populationsbalanser, AIChE Journal (2023). DOI:10.1002/aic.18184
Tillhandahålls av University of Delaware
