I fluidi come l'acqua sono newtoniani, e il loro comportamento viscoso è ben compreso. Però, molti fluidi comuni sono "viscoelastici". Questi fluidi, come quelli che si trovano comunemente nei cosmetici, saponi e vernici, possedere una combinazione di viscoso, liquido ed elastico, proprietà solide e sappiamo sorprendentemente poco su come fluiscono.

Nonostante non sappiano molto delle loro proprietà di flusso, i produttori aggiungono questi fluidi a molti tipi diversi di prodotti di uso quotidiano. Senza fluidi viscoelastici, la vita sarebbe molto diversa. Non potremmo goderci la ricca schiuma di shampoo, né la consistenza gommosa di una caramella gommosa, né il comfort elastico di una scarpa da ginnastica ben costruita.

Per saperne di più su questi fluidi, i ricercatori della Micro/Bio/Nanofluidics Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) studiano le proprietà di flusso e il comportamento di diversi fluidi viscoelastici. Prof.ssa Amy Shen, capo dell'unità, e il dottor Simon Haward, il capogruppo dell'unità, stanno studiando due tipi specifici di liquidi comunemente usati nei prodotti fabbricati:soluzioni polimeriche e soluzioni di "polimeri vivi".

I polimeri sono lunghe molecole composte da subunità ripetute. Le soluzioni polimeriche hanno una vasta gamma di applicazioni, in particolare nella formulazione di alimenti, inchiostri, vernici e persino fluidi protesici come colliri e saliva artificiale. Durante il flusso, queste lunghe molecole polimeriche possono allungarsi come elastici, che conferiscono al fluido la sua elasticità.

In uno studio collaborativo con il ricercatore del Massachusetts Institute of Technology, il professor Gareth McKinley, Shen e Haward hanno osservato i modelli di flusso di una serie di soluzioni di polimeri viscoelastici attraverso una giunzione a 4 vie (Figura 1). Utilizzando una tecnica chiamata birifrangenza indotta dal flusso, hanno mostrato che quando la velocità di flusso attraverso la giunzione è stata aumentata, le molecole di polimero si sono molto allungate in uno stretto filamento che passa attraverso il centro della giunzione. La birifrangenza indotta dal flusso è causata da piccoli cambiamenti misurabili nella rifrazione della luce che passa attraverso un liquido quando viene fatto fluire. Questi cambiamenti nella rifrazione della luce sono direttamente correlati alle sollecitazioni elastiche nel fluido che scorre. I ricercatori hanno scoperto che la forte elasticità all'interno del filamento birifrangente ha causato gravi distorsioni dei modelli di flusso osservati. L'aumento della portata ha portato all'insorgenza di grandi fluttuazioni o instabilità nei modelli di flusso.

Questi esperimenti hanno permesso ai ricercatori di dimostrare che il meccanismo per l'insorgenza dell'instabilità in questo flusso di stiramento è coerente con quello delle instabilità viscoelastiche in altri, flussi più semplici. In un tubo curvo, Per esempio, l'inizio dell'instabilità può essere previsto abbastanza bene a seconda delle precise condizioni geometriche e delle proprietà del fluido. Però, fino ad ora non è mai stato dimostrato che previsioni simili possano essere applicate ai flussi di stretching.

Molti processi industriali, come l'estrusione, filatura della fibra e stampa a getto d'inchiostro, coinvolgono flussi di allungamento di fluidi viscoelastici. Le instabilità del flusso hanno generalmente un effetto negativo sulla qualità dei prodotti finali e limitano quindi direttamente le velocità alle quali tali processi possono essere eseguiti. La capacità di prevedere l'insorgenza di instabilità in tali flussi può aiutare a ottimizzare i tassi di lavorazione e ad ottenere prodotti finali di qualità superiore. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Nature Publishing ad accesso libero Rapporti scientifici .

L'Unità Micro/Bio/Nanofluidica studia anche il flusso dei 'polimeri viventi'. Come i polimeri, questi materiali formano lunghe catene di unità ripetute multiple, ma a differenza dei polimeri, queste unità non sono chimicamente legate insieme, ma fare affidamento su altre forze per la coesione. micelle vermiformi (WLM), un tipo di "polimero vivente", forma lunga, aggregati astiformi sospesi in una soluzione. Come con i polimeri, questi materiali hanno numerose applicazioni industriali, inclusi come additivi in ​​shampoo e cosmetici e come materiali per migliorare il recupero di petrolio e gas (EOR).

Le soluzioni WLM vengono pompate nello scisto durante il fracking per estrarre più petrolio e gas da queste formazioni rocciose sotterranee. Le soluzioni sono inizialmente dense e gelatinose, che consente loro di generare alte pressioni e fratturare lo scisto. Però, quando entrano in contatto con gli idrocarburi, le micelle si smontano permettendo alla soluzione di comportarsi più come l'acqua e defluire facilmente dalla roccia.

Queste formazioni di scisto contengono molti ostacoli che alterano il flusso delle soluzioni all'interno. Il prof. Shen ha deciso di utilizzare un modello semplificato per studiare il modello di flusso delle soluzioni WLM quando è presente un blocco. Dottor Ya Zhao, un ex studente laureato del Prof. Shen presso l'Università di Washington, ha costruito un canale in microscala in cui poteva osservare il flusso di soluzioni WLM attorno a un cilindro che fungeva da ostruzione nel percorso del flusso. Ha quindi confrontato i modelli di flusso di un fluido newtoniano e una soluzione WLM osservando le strisce formate da particelle traccianti fluorescenti. Ha anche misurato la crescita delle sollecitazioni nella soluzione WLM utilizzando la birifrangenza indotta dal flusso.

Determinare il flusso di questi materiali è di vitale importanza per ottimizzare le loro applicazioni. Questi materiali esistono in un'ampia varietà di prodotti e sono sfruttati in molti processi industriali, rendendo la loro ottimizzazione una priorità per i produttori. Determinare il loro comportamento di flusso è un passo avanti verso il raggiungimento del pieno potenziale di questi prodotti.