Vad målar, diskmedel, ketchup och blod gemensamt? Alla består av partiklar suspenderade i en bärarvätska, flöde vid omrörning eller tvång, men förblir tjocka eller till och med geliknande i vila.

Det mycket användbara beteendet i komplexa vätskor kallas skjuvningsförtunning:deras viskositet minskar under blandning och ökar i vila. Men vissa vätskor, när blandningshastigheten ökar-som krävs i många stora industriella processer-kan passera genom området för skjuvning av gallring och flytta in i ett område där viskositeten ökar dramatiskt, och dessa vätskor blir svåra eller omöjliga att röra om. Denna effekt, känd som skjuvningstjockning, har undersökts i flera decennier när ingenjörer försökte lösa komplexa produktionsproblem som orsakats av fenomenet.

I slutet av 1980 -talet forskaren Richard L. Hoffman föreslog en enkel modell:När vätskor blandas vid låga hastigheter, de suspenderade partiklarna bildar ordnade lager som lätt kan glida över varandra, underlättar flödet. Men när den utsätts för höga hastigheter, lagren blir oordning och snubblar över varandra, hindrar flöde; denna förändring i typen av flöde kallas "ordning-till-störningsövergång". Det är lite som en orolig publik, trycka och blanda sig igenom en överbelastad utgång.

Andra forskare kunde observera detta beteende i många vätskor, men inte i varje skjuvförtjockningsvätska. Så, forskare föreslog flera andra modeller för att förklara fenomenet skjuvning, men ingen av dem tar upp Hoffmans modell.

"Så pusslet kvarstår, hur är ordning-till-störning av partiklar relaterade till skjuvningstjockningsbeteende? Varför händer det bara i vissa komplexa vätskor? "Sade Xiao-Min Lin, nanovetare vid Center for Nanoscale Materials vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory.

Nu, ett Argonne-team av nanovetare och fysiker har avslöjat detta 30-åriga mysterium genom att studera en skjuvförtjockande vätska med in situ röntgenkarakterisering.

"Kombinera en reometer, som mäter vätskans viskositet, med röntgenkarakterisering skapar ett unikt instrument som kan förstå partiklarnas struktur när de rör sig i realtid, "sa Suresh Narayanan, en annan forskare på projektet och fysiker i Time Resolved Research Group i Argonnes röntgenavdelning.

Teamet har alltid misstänkt att partikeluniformitet kan spela en roll i detta fenomen. Så Jonghun Lee, ledande postdoktor i detta projekt, syntetiserade mycket enhetliga kiseldioxid nanopartiklar med tre olika diametrar. Med hjälp av en specifik ultrakänslig liten vinkel röntgenspridningsteknik (SAXS) vid Argonnes Advanced Photon Source (APS), Lin, Narayanan och deras team - nu utökat med andra medlemmar i Time Resolved Research Group - mätte hur nanopartiklarna flödade som svar på en applicerad kraft i realtid.

Gruppens insats belönades. De mycket enhetliga upphängningarna som skapades av teamet möjliggjorde separering av de två fenomenen:ordning till oordning-övergång och normal skjuvningstjockning. Tills nu, de hade varit oskiljbara i andra experiment. Data som fångats in situ visade att övergången mellan ordning och störning som upptäcktes på 1980-talet sker i områden med lägre stress och den stadiga skjuvningstjockningen sker i regioner med högre stress. Med andra ord, dessa beteenden drivs av två separata, oberoende mekanismer.

"Men när du har olikformiga partiklar, dessa två beteenden kollapsar i samma region, gör dem oskiljbara, "Sa Lee.

Teamet försöker nu förstå mekanismen som verkligen bidrar till skjuvningstjockning. Dessa studier kan leda till tillämpningar inom tredimensionell utskrift, den kemiska industrin och det biomedicinska området.

Detta jobb, med titeln "Unraveling the role of order-to-disorder transition in shear thickening suspensions, "publicerades i ett januarinummer av Fysiska granskningsbrev .