Dentifricio, creme per il viso, gel per capelli, la maionese e il ketchup sono articoli per la casa a cui la maggior parte delle persone non ci pensa due volte, ma in termini di comportamento del flusso, hanno proprietà insolite. Sono tutti materiali elasto-visco-plastici (EVP), che si comportano come solidi a riposo, ma può cedere a fluire come liquidi se sottoposto a sufficiente stress. Nonostante la loro ubiquità, la capacità di modellare e prevedere il loro comportamento si basa su una teoria che ha dimostrato di funzionare solo in determinate condizioni.

Scienziati dell'Unità di micro/bio/nanofluidica dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) e del Laboratorio di meccanica dei fluidi e reologia dell'Università di Patrasso hanno rivelato approfondimenti su questi materiali combinando esperimenti con simulazioni. La loro ricerca, pubblicato in PNAS , suggerisce che l'elasticità dei materiali allo stato solido è una proprietà chiave che dovrebbe essere inclusa nei modelli futuri.

"Nell'ultima decade, i progressi negli esperimenti di microfluidica hanno rivelato molti fenomeni inaspettati nel flusso di materiali EVP, " ha detto il professor John Tsamopoulos, dell'Università di Patrasso. "Esempi includono le forme a cuspide delle bolle nei gel e la perdita di simmetria nel flusso. Queste e altre osservazioni hanno suggerito che mancava qualcosa nella teoria esistente. Ricerche precedenti nel nostro laboratorio suggerivano che l'elasticità, la capacità della microstruttura del materiale di deformarsi prima di cedere, era la parte mancante del puzzle."

Professoressa Amy Shen, che guida l'Unità OIST, disse, "Anche quando gli articoli domestici di base vengono messi da parte, avere una comprensione fondamentale di come il flusso dei materiali EVP è molto utile, soprattutto nella scienza biomedica e geofisica." Ad esempio, lei spiegò, il sangue è un materiale EVP:si comporta come un solido a riposo, ma scorre come un liquido nelle arterie. Cosa c'è di più, lei ha aggiunto, alcuni tessuti e scaffold stampati in 3D possono avere proprietà EVP, e, dal lato geofisico, la lava vulcanica si comporta come un materiale EVP anche se su scala molto più ampia.

Precedenti ricerche sperimentali sui materiali EVP hanno misurato il loro comportamento sotto flusso di taglio, ottenuta quando strati di fluido scorrono l'uno sull'altro. Ma, quando si tratta della lavorazione industriale e degli usi di questi materiali, come la filatura della fibra e la stampa di circuiti stampati, spesso è il flusso estensionale, quando il fluido viene allungato, che è più importante.

Lo studio dei flussi puramente estensionali è una grande sfida nella fluidodinamica sperimentale, e il flusso estensionale dei materiali EVP non è mai stato precedentemente misurato con successo negli esperimenti. Per raggiungere questo obiettivo per la prima volta, Dottor Simon Haward, il capogruppo dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidica, utilizzato un nuovo apparato microfluidico noto come geometria cross-slot. L'apparato comprendeva quattro canali che erano tutti ad angolo retto l'uno rispetto all'altro.

"All'interno della geometria delle scanalature incrociate, abbiamo usato una soluzione Pluronic, un noto materiale EVP, " ha detto il dottor Haward. "Quando abbiamo fatto pressione sui due canali in entrata, che si trovavano uno di fronte all'altro, la soluzione è stata spinta verso il centro ed è uscita dagli altri due canali. Il flusso risultante ha un punto al centro in cui la velocità va a zero. Nei due canali in uscita, abbiamo generato un flusso estensionale in cui il fluido è stato allungato."

Nel frattempo, Il professor Yannis Dimakopoulos e i ricercatori dell'Università di Patrasso hanno creato un modello teorico e simulato il flusso di due materiali EVP:la soluzione Pluronic e un altro materiale chiamato Carbopol. Hanno mostrato che nel flusso sono sorti modelli complessi, che includeva la presenza di regioni solidificate circondate dallo stato liquido. I loro risultati corrispondevano agli esperimenti eseguiti presso l'OIST.

"Questo modello può descrivere semplici materiali EVP a taglio, flussi estensionali e misti. Sebbene ci siamo concentrati solo su due materiali, potrebbe essere utilizzato su un'ampia varietà con diversi livelli di elasticità, plasticità, viscosità, e altre proprietà, " disse Stelios Varchanis, un dottorato di ricerca candidato all'Università di Patrasso e primo autore dell'articolo. "Questo rende il modello appropriato per simulare i flussi durante la progettazione e l'ottimizzazione di vari processi industriali".

Questa ricerca suggerisce che la teoria esistente deve essere rivista per includere l'elasticità del materiale. "A seconda della quantità di deformazione che il materiale EVP può sopportare prima di cedere, o si comporterà in un modo simile a quanto previsto dalla teoria esistente o si comporterà più come un solido elastico che scorre, " disse Stelio.

"Gli esperimenti all'OIST si sono complimentati con le simulazioni, " ha detto il dottor Cameron Hopkins, dell'Unità di Micro/Bio/Nanofluidica dell'OIST. "Anche se la soluzione Pluronic che abbiamo studiato mostra solo deboli effetti elastici, una piccola quantità di asimmetria è stata osservata nel flusso che indica una deviazione dal comportamento puramente fluido, quindi l'elasticità non può essere trascurata. I nostri esperimenti hanno fornito un forte supporto per la proposta di modifica della teoria".

Questa ricerca ha coinvolto anche il Dr. Alexandros Syrakos dell'Università di Patrasso.