För första gången, forskare har kunnat ta bilder som ger oöverträffade detaljer om hur partiklar beter sig i en flytande suspension när fenomenet som kallas skjuvförtjockning äger rum. Arbetet tillåter oss att direkt förstå processerna bakom skjuvförtjockning, som tidigare bara hade förståtts utifrån slutledning och beräkningsmodellering.

Skjuvförtjockning är ett fenomen som kan uppstå när partiklar suspenderas i en lågviskös lösning. Om koncentrationen av partiklar är tillräckligt hög, sedan när stress appliceras på lösningen blir den väldigt trögflytande – och beter sig effektivt som ett fast ämne. När stressen tas bort eller försvinner, suspensionen återgår till sin normala vätskeliknande viskositet. Detta fenomen kan ses i populära YouTube-videor där människor kan stöta på en lösning av majsstärkelse suspenderad i vatten – men sjunker ner i lösningen när de står stilla.

Skjuvförtjockning kan vara en skuld eller en fördel, beroende på sammanhanget.

Till exempel, inom industrier från livsmedelsförädling till läkemedelstillverkning, företag försöker ofta pumpa vätskor med höga partikelkoncentrationer för att göra tillverkningsprocesser mer effektiva och kostnadseffektiva. Och om dessa företag inte korrekt står för skjuvningstjockning, vätskorna som pumpas kan fastna eller täppa till - vilket kostar dem värdefull tid och kan skada deras utrustning.

Å andra sidan, egenskaperna hos skjuvförtjockning kan också användas för att utveckla kraftabsorberande material för användning i applikationer som kroppsskydd, eller som en mekanism för att kontrollera de fysiska egenskaperna hos mjuka robotar.

Av dessa anledningar, forskare har ägnat år åt att försöka förstå exakt hur och varför skjuvförtjockning uppstår. Dock, forskare har tvingats förlita sig på indirekta experiment, eftersom de inte kunde fånga det exakta beteendet hos partiklarna i lösning när skjuvförtjockning äger rum. Tills nu.

Ett team av forskare vid North Carolina State University och Northeastern University använde ett skräddarsytt instrument, kallade en konfokal reometer, för att fånga mikroskopiska bilder av partiklar i lösning när de utsattes för stress för att utlösa skjuvförtjockning. Datorsimuleringar användes för att stödja de experimentella observationerna.

"När stressen ökade, vi kunde se komplexa nätverk mellan partiklar, säger Lilian Hsiao, motsvarande författare till en artikel om arbetet och en biträdande professor i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid NC State. "Och formerna på dessa nätverk var beroende av formen och grovheten hos partiklarna. Specifikt, hur närliggande partiklar omarrangeras när stress appliceras dikterar hur de skjuvningstjocknar.

"Förstå dessa samband mellan partikelråhet, storskaliga partiklar, och skjuvförtjockning tillåter oss att bättre förutsäga skjuvförtjockningsbeteendet hos suspensioner."

Specifikt, forskargruppen utvecklade ett sätt att mer exakt förutsäga hur mycket stress som kan appliceras på en given koncentration av partiklar innan en suspension börjar uppleva skjuvförtjockning – såväl som hur trögflytande lösningen kommer att bli – baserat på partiklarnas grovhet. Partiklarnas grovhet spelar roll eftersom deras ytinteraktioner dikterar hur tätt partiklarna kan packas ihop, eller "fastnat, " i suspensionen innan den blir effektivt fast.

"För praktiska tillämpningar, människor behöver inte ta sina egna mikroskopbilder av vad som händer under skjuvförtjockningsprocessen, " säger Hsiao. "Om de känner till grovheten hos partiklarna de har i lösning, de kommer att kunna avgöra vilka koncentrationer som kommer att fungera för deras olika tillämpningar."

Pappret, "Stämningsavstånd dikterar kolloidal skjuvförtjockning, " publiceras i Fysiska granskningsbrev .