Har du någonsin undrat varför du måste skaka din flaska ketchup eller senap innan du häller? Eller varför, för att komma ur kvicksand, måste du röra dig långsamt? Eller varför du kan springa på ytan av en suspension av majsstärkelse i vatten, men du skulle sjunka om du försökte gå på den?

Det gemensamma för alla dessa gåtor är icke-newtonska vätskor, vars mekaniska egenskaper ändras beroende på nivå och typ av kraft som appliceras på dem. De träffas hela tiden i det dagliga livet, men de flesta vet inte hur mycket konstruerade de kan vara, med noggrant formulerade partiklar, polymerer och andra tillsatser för att ge dem önskat flödesbeteende.

"För att designa dessa vätskor, du måste förstå samma egenskaper både från en applikations- och behandlingssynpunkt, "sade Matthew Helgeson, en professor vid UC Santa Barbara Department of Chemical Engineering. "Till exempel, kryddor är utformade för att vara tjocka så att du kan ta ut dem ur flaskan och breda ut dem på din smörgås utan att springa överallt, men samtidigt måste de kunna blandas och flaskas snabbt när de tillverkas i fabriken. "

Trots deras allestädes närvarande användning, dessa och andra komplexa vätskor är utmanande att konstruera eftersom sambandet mellan mikroskopiskt beteende och flödesegenskaper är svårt att observera, sa Helgeson. På makroskopisk nivå är det lätt att se hur materialet reagerar på stress, men vad som händer strukturellt när det reagerar på våld förblir något av ett mysterium.

Dock, att ingenjörsfrågan är på väg att förändras. I ett partnerskap med den österrikiska laboratorietillverkaren Anton Paar, Helgesons laboratorium har utvecklat nya mätmetoder för ett specialiserat, toppmodern reometer som inte bara tillåter forskare att karakterisera det mekaniska beteendet hos icke-newtonska vätskor och mjuk materia, men också att bevittna på mikroskopisk nivå hur vätskan och strukturerna flyter och deformeras som svar på stress. Den kunskap som genereras av denna typ av instrumentering kommer att ha breda tillämpningar inom akademisk och industriell forskning.

En typisk reometer består vanligtvis av två rörliga ytor, såsom koncentriska cylindrar, som roterar för att få vätskan att deformeras. Genom att mäta den kraft som krävs för att rotera cylindrarna, det är möjligt att bestämma vätskans mekaniska egenskaper. Det är vanligtvis omöjligt att se flödet i dessa geometrier, och det antas att mängden deformation i vätskan mellan ytorna är densamma överallt, som är fallet för en newtonsk vätska som vatten.

Inte så med många icke-newtonska vätskor, enligt Helgeson.

"Det blir mycket mer komplicerat, "sa han." Det som vanligtvis händer är att du får en liten region som ger efter så att den flyter, och allt annat bara sitter där eller rör sig väldigt långsamt. "Mer kraft är inte alltid lika med mer flöde, han lade till, tills det avgivna området växer för att fylla vätskevolymen.

"Denna övergång som går från att inte flöda till att flöda är viktig för ett brett spektrum av komplexa vätskor, "sa Helgeson. Och detaljerna om flödet i denna process, han förklarade, är ofta otillgängliga för reometrar, som vanligtvis bara är känsliga för vätskan som strömmar precis vid ytorna.

"En av framstegen med denna instrumentering som vi har utvecklat med Anton Paar är förmågan att direkt visualisera vad som händer i flödet, "Sa Helgeson. Med hjälp av laseroptik och ljusspridande partiklar, forskare kommer att kunna spåra vätskedeformationen och använda den för att förstå vad som händer i vätskans mikrostruktur.

"Om du vill konstruera dessa vätskor, du måste verkligen kunna karaktärisera vad som händer i flödet för att orsaka det makroskopiska svaret du mäter, " han sa.

När tillverkningsmetoder och material blir mer sofistikerade, denna kunskap kommer att bli avgörande. Till exempel, för att kunna använda nya och olika typer av material för 3D -skrivare och additiv tillverkning, det kolloidala och polymera bläcket som används måste enkelt kunna flyta genom munstycket men härda felfritt för att uppnå önskad struktur.

Enligt Helgeson, partnerskapet med Anton Paar är ovanligt genom att UCSB -forskare har en hand i skapandet av nya instrumenterings- och mätmetoder innan de blir kommersiellt tillgängliga.

"I det avseendet, partnerskapet är verkligen en tvåväg, "sa han." Den nya reometern ger oss toppmoderna mätfunktioner, och samtidigt tillhandahåller vi nya verktyg och analyser som andra inom det vetenskapliga och industriella samhället kan använda. "

Polymerer, till exempel, som de som används på skärmar, organisk solceller och flexibel elektronik, måste ha perfekta molekylära och atomiska arrangemang för att vara effektiva, så tillverkningstekniker som involverar flöde måste förbättras för att uppnå bättre prestanda och lägre kostnad.

"Du lägger dessa polymerer genom alla slags extruderingar, injektions- och beläggningsprocesser, som har potential att producera defekter i materialet som kommer från flödesinstabilitet, "Sade Helgeson. De nya reometerverktygen som Helgeson och Anton Paar tillsammans utvecklar kommer att möjliggöra mer direkt mätning av dessa instabiliteter.

"Det är verkligen vad detta partnerskap och det nya instrumentet handlar om:att inte bara kunna hitta på nya tekniker, men också driva deras användning och förståelse för att lösa några av dessa problem, " han förklarade.