Forskare använder ultraljudsvågor för att manipulera viskositeten hos skjuvförtjockande material, förvandla fast material till slask — och tillbaka igen.

Studien, "Att använda akustiska störningar för att dynamiskt justera skjuvförtjockning i kolloidala suspensioner, " publicerades 17 september in Fysiska granskningsbrev .

Skjuvförtjockande vätskor är en klass av material som flyter som vätska men stelnar när de pressas eller klipps snabbt, som kvicksand och Oobleck, barnens lekslem. Tekniska tillämpningar för materialet sträcker sig från mjuka kroppsrustningar och astronautdräkter till 3D-utskrift av metaller och keramik.

Men skjuvförtjockningsprocessen kan inte samarbeta:Ju mer du manipulerar materialet, ju mer det stelnar, vilket vid 3-D-utskrift och betongtillverkning kan leda till sprutade munstycken och fastklämda trattar.

Itai Cohen, professor i och tidningens medförfattare, tidigare hittat ett sätt att manipulera - eller "stämma" - materialet genom att bryta isär de styva strukturerna eller kraftkedjorna som bildas av partiklarna i dessa suspensioner genom vinkelräta oscillationer. Men den metoden visade sig vara opraktisk. Det är inte lätt, trots allt, att skaka och vrida ett fabriksrör.

Cohen och Ph.D. studenten Meera Ramaswamy samarbetade med Brian Kirby, professor i teknik, och Ph.D. student Prateek Sehgal, som har använt akustiska givare för att manipulera partiklar i mikro- och nanoskala i Kirbys labb.

Sehgal utvecklade en enkel men effektiv enhet som består av en bottenplatta med en akustisk givare – kallad piezo – som genererar ultraljudsvågor.

"När du exciterar den piezo vid en specifik frekvens och en specifik spänning, den utstrålar de akustiska vågorna genom bottenplattan till upphängningen. Dessa akustiska störningar bryter kraftkedjorna som är ansvariga för skjuvförtjockning, sade Sehgal, huvudförfattare till tidningen tillsammans med Ramaswamy.

"De störningar du framkallar är faktiskt verkligen, riktigt liten, så det krävs inte mycket för att bryta kontaktkrafterna mellan mikropartiklarna, ", sade Cohen. "Detta är nyckelinsikten som tillät oss att tänka på att tillämpa dessa typer av störningar och få det att fungera. I grund och botten, någon geometri där du har ett flöde som är förtjockat, du kan nu bara slå en piezo på och avtjocka den regionen. Denna strategi öppnar bara upp tillämpbarheten för ett mycket bredare spektrum av applikationer."

Forskarna utvecklade metoden genom att manipulera partiklar i ämnen upp till 1,3 mm tjocka, men eftersom ultraljudsvågor kan fortplanta sig långa avstånd i material, Kirby räknar med att den kommer att användas på rör så breda som en fot. Potentiella tillämpningar inkluderar livsmedelsbearbetning, speciellt för material som har partikelsuspensioner som pastor, tillverkning av betong, samt 3D-utskrift av keramik och metaller.

Användningen av akustisk energi är också ett värdefullt vetenskapligt verktyg för forskare som studerar ett materials förtjockningsbeteende och systemdynamik. Vanligtvis, att studera förtjockning, man måste börja med en avslappnad fjädring och öka flödena. Denna process, dock, kan ta lång tid.