En droppe silikonolja nyper från vätskor med olika koncentrationer av 140 µm partiklar:(A) är ren vätska, (B) är 2% koncentration, (C) är 20% och (D) är 50%. Kredit:Thiévenaz och Sauret
Honung är redan en tjock vätska, men låt den börja kristallisera och den kan bli direkt klumpig. Sockerkristallerna i suspension verkar öka dess viskositet. Detta fenomen förekommer i hela den naturliga och konstruerade världen:från lerflöden till färg, suspensioner av partiklar tenderar att bete sig som trögflytande vätskor.
Ingenjörer använder detta till sin fördel genom att modellera de makroskopiska egenskaperna hos en suspension baserat på storleken och koncentrationen av dess partiklar. Denna approximation bryts dock ner i en viss skala. UC Santa Barbaras Virgile Thiévenaz och Alban Sauret försökte avgöra när och hur.
De upptäckte att partiklar inte sprider sig jämnt när en suspension sjunker under en viss längdskala, till exempel när vätskan klämmer in för att bilda halsen på en droppe. Så småningom kommer det att finnas ett tunt område utan några partiklar som beter sig som en ren vätska. Resultaten, publicerade i Proceedings of the National Academy of Sciences , markera gränsen för approximationer och har många potentiella tillämpningar i industriella miljöer.
Viskositeten kvantifierar den inre friktionen mellan skikten av en vätska. I en viskös vätska utövar ett lager mer motstånd mot sin granne, vilket ger en tjockare vätska som är mer motståndskraftig mot deformation och flöde. Partiklar i en suspension beter sig på liknande sätt. En partikel är mer benägen att röra sig när dess grannar rör sig, vilket ökar vätskans effektiva viskositet. Högre koncentrationer för partiklar närmare varandra, vilket förstärker effekten. "Så länge du tittar på suspensionen på långt håll är det bara en mer trögflytande vätska", förklarade Thiévenaz, en postdoktor vid avdelningen för maskinteknik.
I droppexperiment observerade Thiévenaz och Sauret att suspensioner sträcker sig som en trögflytande vätska ner till en viss tjocklek, varefter det blir möjligt att dra bort partiklarna från varandra. Detta skapar regioner med varierande koncentrationer som beter sig olika. Så småningom kommer en region inte att innehålla några partiklar och kommer att fungera som en ren vätska. Efter detta förenklas den effektiva viskositeten till den för den rena vätskan.
Ingenjörer har sammanställt mycket data för att kalibrera den effektiva viskositeten hos suspensioner med partikelstorlek och koncentration i stor skala. Thiévenaz och Saurets utmaning var att ta reda på i vilken skala de approximationer som klassiskt används för att modellera upphängningar började nystas upp.
Med mer experimenterande fastställde författarna att denna tröskel också varierar med partikelstorlek och koncentration. En suspension kommer att övergå från att agera som en trögflytande vätska till att bete sig mer som en heterogen blandning i skalor i nivå med storleken på partiklarna.
Intressant nog verkar mindre partiklar ha en proportionellt sett starkare effekt. "I förhållande till partikelstorleken är tröskeln mycket större för små partiklar vid en given koncentration", säger Sauret, biträdande professor i maskinteknik.
Till exempel kan en suspension med en 30 % koncentration av 140 mikrometer partiklar bete sig smidigt ner till skalor på 600 µm, eller ungefär fyra gånger partiklarnas diameter. Men en suspension med 20 µm partiklar i samma koncentration kan visa denna effekt ner till 250 µm:en mindre skala totalt sett, men mer än 12 gånger partiklarnas diameter.
Att förutsäga beteendet hos en upphängning har stora tillämpningar inom tillverkningen. En process kan kräva att man manipulerar filmer eller skapar små droppar, och tekniker måste kunna förutsäga egenskaperna hos dessa system. För doppbelagda delar kan korrekt manipulering av partiklarna i en film vara skillnaden mellan en färdig produkt och en absolut röra, förklarade Sauret.
Spraybeläggning ger en ännu tydligare illustration av detta fenomen. En ren vätska, som en lack, kommer att bete sig annorlunda än en suspension, som färg, när man spraybelägger en produkt. Jämfört med en ren vätska med samma effektiva viskositet kommer en suspension att brytas upp tidigare med färre, större droppar. Forskarnas nästa uppgift är att bestämma hur antalet och storleken på droppar beror på parametrar som hastighet, partikelkoncentration och partikelstorlek.
Att approximera suspensioner som trögflytande vätskor fungerar bra, men bara i vissa skalor. "Vid någon tidpunkt kommer det att misslyckas," sa Sauret. "Och vi måste kunna säga, 'vid det här laget kan du inte använda det här tillvägagångssättet, och istället måste du använda en annan metod'." + Utforska vidare
