Il dentifricio ha un duro lavoro. Non solo deve svolgere funzioni essenziali come rimuovere i residui di caffè dai tuoi bianchi perlati, ma deve anche rimanere nel tubo, uscire senza problemi sotto pressione e restare in equilibrio su un mucchio di setole senza spargere tutto il lavandino del bagno.
E ogni utente, ovunque, apprezza quando la pasta in eccesso estrusa, ma non utilizzata sullo spazzolino, scivola senza problemi nel tubo.
Questo è un esempio di sospensione elastoplastica tixotropica composta da molte particelle diverse. Questo è un boccone.
Secondo Norman Wagner, cattedra Unidel Robert L. Pigford in Ingegneria chimica e biomolecolare presso l’Università del Delaware, questi tipi di sospensioni si trovano in qualsiasi cosa, dalle lozioni agli inchiostri per stampa 3D ai materiali costitutivi per oggetti, inclusi pneumatici in gomma, argille, cementi e altro ancora.
Molti di questi materiali sono realizzati attraverso la sperimentazione:tentativi ed errori. Il materiale del tuo pneumatico non ha abbastanza assorbimento degli urti? Mescola un nuovo lotto di particelle per ridurre il rimbalzo.
Wagner e un team di ricercatori dell'UD si sono chiesti se ci fosse un modo per partire da un'immagine fondamentale delle particelle e delle loro interazioni sul front-end, che potesse essere controllata attraverso la chimica, per sviluppare un prodotto finale con le proprietà del materiale desiderate.
Il risultato è un modello fondamentale con applicazioni per comprendere una varietà di materiali, tra cui il flusso sanguigno umano, prodotti di consumo come la plastica o le dispersioni di nerofumo e silice presenti nei prodotti industriali per la produzione di pneumatici e semiconduttori.
L'approccio del gruppo di ricerca è stato recentemente presentato sulla copertina dell'AIChE Journal .
Mentre gli ingegneri di tutto il paese si riuniscono a Orlando, in Florida, questa settimana per la riunione annuale dell'AIChE 2023, tenutasi dal 5 al 10 novembre, UDaily ha parlato con Wagner del lavoro.
Wagner:Cose come il dentifricio, i cementi, i geopolimeri – anche i comuni prodotti domestici come la bottiglia di plastica del detersivo per il bucato – sono composti da molte particelle che si combinano o si dividono in condizioni diverse. Nel dentifricio sono presenti particelle che puliscono, rinfrescano l'alito e assicurano che il dentifricio faccia schiuma. Le particelle presenti nella plastica, come le bottiglie di detersivo per il bucato, conferiscono alla bottiglia il suo colore.
Questo articolo affronta un nuovo approccio che abbiamo sviluppato nel nostro gruppo partendo da un'immagine fondamentale delle particelle e delle loro interazioni per collegare i punti tra la struttura del materiale, come questa viene influenzata dal flusso di lavorazione e come porta a un risultato finale. proprietà del materiale.
In teoria, questo ci consentirebbe di iniziare con una descrizione fondamentale, che è possibile controllare attraverso la chimica, e quindi di sviluppare un prodotto finale che offra le proprietà del materiale desiderate. Il modello si basa sulla modellazione del bilancio della popolazione, uno strumento molto potente utilizzato nell’ingegneria chimica, così come in altre discipline. Ad esempio, il mio gruppo di ricerca ha utilizzato questo strumento durante la pandemia per modellare il modo in cui il comportamento potrebbe influenzare la trasmissione del coronavirus (COVID-19) nella comunità UD.
Wagner:Questo potrebbe garantire che il dentifricio rimanga sullo spazzolino o che il ketchup rimanga sull'hot dog senza fare confusione. È banale. Ma prendiamo un pannello solare, dove ci sono collegamenti realizzati attraverso particelle d'argento in una pasta. Qui vuoi essenzialmente serigrafare un impasto di particelle d'argento e poi fondere quelle particelle d'argento per creare i fili. Ora, se riesci a migliorarlo, realizzerai pannelli solari che dureranno più a lungo, ma quel filo coprirà anche alcuni dei pannelli che potrebbero raccogliere energia solare.
Quindi, una possibile applicazione in cui questo tipo di modellazione è molto importante sono i processi industriali come la stampa, perché se riusciamo a rendere i fili migliori, più stretti o più uniformi, capendo come formulare meglio la pasta per ottenere la stampa che desideriamo, potremmo essere in grado di migliorare l'efficienza di un pannello solare di qualche punto percentuale. Moltiplica quella piccola percentuale per un numero infinito di pannelli solari e diventa un gran numero.
Pertanto, quando desideri prodotti migliori, plastiche più resistenti, componenti automobilistici migliori, la possibilità di stampare in 3D sistemi riempiti come ceramica, metalli o cemento, è necessario un migliore controllo dei comportamenti di flusso e delle proprietà finali del materiale.
Wagner:Il flusso sanguigno è interessante. Le cellule del sangue sono particelle. Nel tuo corpo, i globuli rossi si uniscono e si impilano come monete. Questi accumuli formano aggregati di particelle importanti per il modo in cui il sangue scorre attraverso il corpo, ad esempio nel cuore e nelle arterie.
Abbiamo bisogno che le cellule del sangue si aggreghino per cose come la coagulazione, ma non vogliamo che si aggreghino nel posto sbagliato al momento sbagliato. Pertanto, è importante modellarlo correttamente per i casi d'uso, come dispositivi sanitari o altre applicazioni.
D:Perché è un grosso problema vedere il tuo lavoro sulla copertina dell'AIChE Journal ?
Wagner:Per l'ingegneria chimica, questo è il giornale di punta della nostra disciplina. È speciale. È un approccio fondamentalmente nuovo. Le persone hanno fatto modelli sul bilancio della popolazione e modellato empiricamente questi tipi di fluidi per molto tempo. Ma le persone non hanno ancora creato un collegamento che costituisca la base per ulteriori lavori futuri.
Abbiamo fatto la teoria. Disponiamo di dati sperimentali che hanno contribuito a convalidare questa scienza fondamentale ed esistono chiare applicazioni a molti problemi industriali per cui potrebbe valere la pena provare questo approccio.
Wagner:È interessante pensare alle persone coinvolte, in particolare agli studenti, e al luogo in cui sono finiti dopo questo lavoro. Ad esempio, Soham Jarawal, che ha svolto il lavoro di modellazione e ha basato la sua tesi di dottorato su questo progetto, è ora alla W.L. Gore sta facendo un modello del flusso sanguigno. Julie Hipp, ex studentessa laureata, ha eseguito un pluripremiato lavoro di diffusione dei neutroni per misurare queste distribuzioni e dimensioni delle particelle sotto flusso nel nero di carbonio che ha contribuito a convalidare questa nuova teoria. Oggi è impiegata da Procter and Gamble. Poi c'è Rong Song, che ha trascorso del tempo lavorando con Chemours sulla tecnologia delle particelle di biossido di titanio mentre completava il suo master all'UD.
Questo lavoro è un bellissimo esempio di come competenze e collaborazioni diverse si uniscono per creare qualcosa di fondamentale che può essere utilizzato per migliorare i materiali presenti ovunque, dall'assistenza sanitaria all'industria, ai prodotti e ai processi di consumo. È anche una lente sui luoghi in cui questi collaboratori portano ciò che hanno imparato, la loro formazione ed esperienze e crescono in nuove direzioni al di fuori dell'UD.
Ulteriori informazioni: Soham Jariwala et al, Un modello polidisperso per sospensioni elasto-viscoplastiche tixotropiche di particelle aggreganti utilizzando i bilanci di popolazione, AIChE Journal (2023). DOI:10.1002/aic.18184
Fornito dall'Università del Delaware
