Lucio Isa och hans team av forskare har förklarat hur ytegenskaperna hos mikrosfärer påverkar snabba ökningar av suspensionernas viskositet, därmed läggs grunden för applikationer som smidigt flytande cement.

Internet är fullt av videor av människor som har roligt när de springer över vitt slem. Det ser nästan ut som om de gick på vatten. Men när de står stilla, de börjar sakta sjunka. Slemmet i fråga är vanligtvis en koncentrerad suspension bestående av majsstärkelse och vatten. Även om det i folkmun kallas "oobleck" efter barnboken av Dr Seuss, materialforskare använder termen "icke-newtonsk vätska". I motsats till en "normal" (Newtonsk) vätska, icke-newtonska vätskor kan bli mer viskösa när de påverkas av en stor, kraft som snabbt förändras. För en kort stund, materialet beter sig som ett fast ämne. Dock, om kraften är konstant och svag, materialet flyter som en vanlig vätska.

"Detta fenomen uppträder i alla suspensioner med hög partikeldensitet, som cement, "säger Lucio Isa, Professor i gränssnitt, Mjuk materia och montering vid ETH Zürich. Om cement pumpas genom ett rör på en byggarbetsplats för snabbt, röret kommer att täppas till.

Högre friktion på grund av grova ytor

Detta beror delvis på ytkarakteristiken hos de fasta partiklarna i suspensionen. "Om en kraft plötsligt appliceras, de fasta partiklarna kan inte flytta sig ur vägen tillräckligt snabbt. Istället, de kommer i kontakt, gnugga mot och blockera varandra ", Förklarar Isa. Ju grövre partikelytan, ju högre friktion.

Forskare använder dessa egenskaper för att kontrollera den plötsliga ökningen av viskositeten i en tät suspension på ett målinriktat sätt. Istället för majsstärkelse, Isa och hans kollegor "lekte" med uniform, mikrometerstora silikatpartiklar med en grov yta. Partiklarna ser ut som små hallon och hade redan använts av forskarna i tidigare studier. Chiao-Peng Hsu, en doktorand som arbetar under Isa och ETH-professor Nicholas Spencer, har utvecklat en metod som gör att han snabbt kan generera ett bibliotek med dessa hallonformade partiklar med olika ytjämnheter.

Högre viskositet trots färre partiklar

Forskarna använde dessa partiklar för att skapa suspensioner som de kunde testa för plötsliga ökningar i viskositet under stress. Resultaten visade att ju grovare partiklarna, färre måste läggas till suspensionen för att uppnå plötslig stelning. I kontrast, om släta partiklar användes, en större mängd måste läggas till suspensionen innan forskarna kunde observera den plötsliga förtjockningen.

Forskarna visade att användningen av grova partiklar kan spara material:deras del av den totala volymen i en suspension kan vara väsentligt lägre för att generera samma effekt.

När forskarna blandade grova och släta partiklar i en enda suspension, stelning inträffade också tidigare än i suspensioner med uteslutande släta partiklar. ETH -forskarna upptäckte att så lite som 6 procent av de släta partiklarna i en blandning var tillräckligt för att minska ökningen av viskositeten avsevärt. "Det är som att blanda ihop kullager och kugghjul, "säger Isa." Kugghjulen kopplas ihop relativt enkelt för att skapa en stabil kedja men kullagren bryter lätt dessa kedjor och möjliggör flöde. "

För att undersöka friktionen mellan enskilda partiklar, Hsu och hans kollega Shivaprakash Ramakrishna bifogade en singel, halvmikrometerpartikel på en fribärare i ett atomkraftmikroskop. Forskarna flyttade sedan partikeln över olika grova modellytor genom att flytta konsolen några hundra nanometer samtidigt som de mätte lutningsvinkeln. Ju starkare friktion, desto större vinkel. "Att arbeta med denna typ av partikel på en fribärande var extremt svårt, eftersom måtten är otroligt små, "understryker Hsu." Vi var den första gruppen som uppnådde detta. "

Applikationer i skottsäkra västar

Om resultaten kommer att integreras i verkliga applikationer återstår att se. Studien är främst ren forskning. "Vårt mål var att undersöka hur vi kan ändra nano och mikrostrukturer för att påverka materialbeteende på en makroskopisk nivå, och vi lyckades "säger Isa. Fynden kan användas i vardagliga tillämpningar som cement." Genom att justera granulatytorna och blanda dem i cement på ett liknande sätt som vårt experiment, man skulle kunna optimera cementens flödesegenskaper."

Men trögflytande suspensioner med abrupta stelningsegenskaper används också för andra ändamål; till exempel, en amerikansk tillverkare använder viskösa upphängningar för att utveckla kul- och stickskyddsvästar. "Vår studie kan hjälpa till att förbättra den här typen av applikationer, säger Isa.