Blandar du majsstärkelse och vatten i rätt proportioner får du något som verkar inte helt flytande men också inte helt fast. Oobleck flyter och lägger sig som en vätska när den är orörd men stelnar när du försöker ta upp den eller rör om den med en sked. Egenskaperna hos oobleck och andra icke-newtonska vätskor – inklusive Silly Putty, kvicksand, färg och yoghurt – förändras under stress eller tryck, och forskare har länge kämpat för att bevisa exakt varför.
Nu har forskare vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME) använt piezoelektriska nanopartiklar, som själva förändras som svar på tryck, för att undersöka den grundläggande fysiken hos icke-Newtonska vätskor. Teamet upptäckte en nyckelroll för friktion mellan partiklar för att få materialen att vända från en vätska till en mer solid struktur.
"Detta svarar inte bara på långvariga grundläggande frågor om det fysiska ursprunget för dessa material utan öppnar dörrar för design av nya icke-Newtonska vätskor med praktiska tillämpningar", säger Stuart Rowan, Barry L. MacLean professor i molekylär teknik och co. -Senior författare till tidningen, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Bland dessa potentiella användningsområden är färg som inte klumpar sig, vätskor som stelnar till en form när de skakas och bärbara skyddskläder som stelnar när de träffas.
Ett kännetecken för icke-Newtonska vätskor är att deras viskositet - hur tjocka de är - förändras dramatiskt när materialen är under stress. För vissa material innebär det att man tunnar ut med stress. Skaka en ketchupflaska kan göra kryddan drastiskt mer hällbar; yoghurt, majonnäs och tandkräm bibehåller sin form i en behållare men blir mer vätskeliknande vid användning.
Men andra material som oobleck, som är en koncentrerad partikelsuspension, beter sig precis tvärtom:den kan kännas fast när den manipuleras men kollapsar till en pöl när den läggs ner.
Forskare har formulerat hypoteser om varför koncentrerade partikelsuspensioner förändras när de klipps - de utsätts för flera krafter som verkar i olika riktningar. Dessa hypoteser relaterar mest till hur molekylerna och partiklarna som utgör materialen kan interagera med varandra på olika sätt under olika förhållanden – men varje hypotes är svår att bevisa.
"För att förstå dessa koncentrerade partikelsuspensioner vill vi kunna titta på strukturen i nanoskala, men partiklarna är så otroligt trånga att det är väldigt svårt att avbilda dessa strukturer", förklarade postdoktor Hojin Kim, den första författaren till den nya artikeln .
För att övervinna denna utmaning, samarbetade Kim med Rowan, Aaron Esser-Kahn, också professor i PME och expert på piezokemi, och Heinrich Jaeger, Sewell Avery Distinguished Service Professor of Physics. Teamet utvecklade en teknik som mäter förändringen i elektrisk konduktans baserat på skjuvkraften som utövas på den. Sedan suspenderade de nanopartikeln i en vätska i en sådan koncentration att den uppvisade icke-newtonska egenskaper på samma sätt som oobleck.
Forskarna applicerade skjuvkraft på toppen och botten av vätskan och mätte samtidigt de resulterande förändringarna av både viskositeten och de elektriska signalerna. Det lät dem avgöra hur partiklarna interagerade när de ändrades från ett mer flytande till ett mer fast-liknande material.
"Vi fann att friktion mellan partiklar var avgörande för denna övergång," sa Kim. "I denna koncentrerade partikellösning finns det en tipppunkt när friktionen når en viss nivå, och viskositeten ökar abrupt."
Att förstå de fysiska krafterna som spelar i en koncentrerad partikellösning är ett steg mot att kunna designa nya icke-newtonska vätskor i labbet. En dag kan dessa konstruerade material ha skräddarsydda egenskaper som låter forskare kontrollera sin viskositet genom stress. I vissa fall kan detta leda till mindre klumpar och igensättning av vätskor som färg och betong. I andra fall kan det innebära en målmedveten härdning av material när så önskas.
"För alla tillämpningar hoppas vi att vi så småningom kan bestämma den ideala kombinationen av lösningsmedel och partiklar och skjuvningsförhållanden för att få de egenskaper vi vill ha", sa Kim. "Denna uppsats kan tyckas vara väldigt grundläggande forskning, men i verkligheten finns icke-newtonska vätskor överallt, så det här har många tillämpningar."
För nu planerar forskarna från Pritzker Molecular Engineering och UChicago att dra fördel av den stressinducerade piezoelektriska aktiviteten hos deras nanopartikelsuspensioner för att designa nya adaptiva och känsliga material som till exempel blir styvare under mekanisk kraft.
Mer information: Hojin Kim et al, Stress-aktiverad friktion i skurna suspensioner som sonderas med piezoelektriska nanopartiklar, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2310088120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Chicago
