Ti sei mai chiesto perché devi agitare la tua bottiglia di ketchup o senape prima di versare? o perché, per uscire dalle sabbie mobili, devi muoverti lentamente? O perché puoi correre sulla superficie di una sospensione di amido di mais in acqua, ma affonderesti se provassi a camminarci sopra?

La caratteristica comune di tutti questi enigmi sono i fluidi non newtoniani, le cui proprietà meccaniche cambiano a seconda del livello e del tipo di forza loro applicata. Si incontrano continuamente nella vita quotidiana, ma la maggior parte delle persone non sa quanto possono essere altamente ingegnerizzati, con particelle accuratamente formulate, polimeri e altri additivi per conferire loro il comportamento di scorrimento desiderato.

"Per progettare questi fluidi, è necessario comprendere queste stesse proprietà sia dal punto di vista dell'applicazione che dell'elaborazione, " ha detto Matthew Helgeson, un professore nel Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'UC Santa Barbara. "Ad esempio, i condimenti sono progettati per essere densi in modo da poterli estrarre dalla bottiglia e spalmarli sul panino senza colare dappertutto, ma allo stesso tempo devono poter essere miscelati e imbottigliati rapidamente una volta prodotti in fabbrica".

Nonostante il loro uso onnipresente, questi e altri fluidi complessi sono difficili da progettare perché le relazioni tra comportamento microscopico e proprietà di flusso sono difficili da osservare, disse Helgeson. A livello macroscopico è facile vedere come il materiale risponde alle sollecitazioni, ma ciò che accade strutturalmente quando reagisce alla forza rimane in qualche modo un mistero.

Però, quel dilemma ingegneristico sta per cambiare. In una partnership con il produttore di strumentazione di laboratorio con sede in Austria Anton Paar, Il laboratorio di Helgeson ha sviluppato nuovi metodi di misurazione per uno specialista, reometro all'avanguardia che non solo consente ai ricercatori di caratterizzare il comportamento meccanico di liquidi non newtoniani e materia soffice, ma anche per testimoniare a livello microscopico come il fluido e le strutture scorrono e si deformano in risposta allo stress. La conoscenza generata da questo tipo di strumentazione avrà ampie applicazioni nella ricerca accademica e industriale.

Un tipico reometro di solito è costituito da due superfici mobili, come cilindri concentrici, che ruotano per deformare il fluido. Misurando la forza necessaria per ruotare i cilindri, è possibile determinare le proprietà meccaniche del fluido. Di solito è impossibile vedere il flusso in queste geometrie, e quindi si assume che la quantità di deformazione nel fluido tra le superfici sia la stessa ovunque, come nel caso di un liquido newtoniano come l'acqua.

Non è così con molti fluidi non newtoniani, secondo Helgeson.

"Diventa molto più complicato, " ha detto. "In genere ciò che accade è che si ottiene una piccola regione che cede in modo che scorra, e tutto il resto è semplicemente seduto lì o si muove molto lentamente." Più forza non è sempre uguale a più flusso, Ha aggiunto, fino a quando la regione resa cresce per riempire il volume del fluido.

"Questa transizione che va dal non fluire al fluire è importante per un'ampia gamma di fluidi complessi, " disse Helgeson. E i dettagli del flusso in questo processo, Lui ha spiegato, sono spesso inaccessibili ai reometri, che sono tipicamente sensibili solo al fluido che scorre proprio sulle superfici.

"Uno dei progressi di questa strumentazione che abbiamo sviluppato con Anton Paar è la capacità di visualizzare direttamente cosa sta succedendo nel flusso, " ha detto Helgeson. Con l'aiuto dell'ottica laser e delle particelle che diffondono la luce, i ricercatori saranno in grado di tracciare la deformazione del fluido e usarla per capire cosa sta succedendo nella microstruttura del fluido.

"Se vuoi progettare questi fluidi, devi davvero essere in grado di caratterizzare cosa sta succedendo nel flusso per causare la risposta macroscopica che misuri, " Egli ha detto.

Man mano che i metodi e i materiali di produzione diventano più sofisticati, questa conoscenza diventerà essenziale. Per esempio, essere in grado di utilizzare nuovi e diversi tipi di materiali per stampanti 3D e produzione additiva, gli inchiostri colloidali e polimerici utilizzati devono poter fluire attraverso l'ugello con facilità ma indurirsi perfettamente per ottenere la struttura desiderata.

Secondo Helgeson, la partnership con Anton Paar è insolita in quanto i ricercatori dell'UCSB stanno contribuendo alla creazione di nuovi strumenti e metodi di misurazione prima che diventino disponibili in commercio.

"In tal senso, la partnership è davvero una strada a doppio senso, " ha detto. "Il nuovo reometro ci fornisce capacità di misurazione all'avanguardia, e allo stesso tempo stiamo fornendo nuovi strumenti e analisi che altri nella comunità scientifica e industriale possono utilizzare".

polimeri, ad esempio, come quelli utilizzati nei display, fotovoltaico organico ed elettronica flessibile, devono avere disposizioni molecolari e atomiche perfette per essere efficaci, quindi le tecniche di fabbricazione che coinvolgono il flusso devono essere migliorate per ottenere prestazioni migliori e costi inferiori.

"Fai passare questi polimeri attraverso tutti i tipi di estrusione, processi di iniezione e rivestimento, che hanno il potenziale di produrre difetti nel materiale che derivano da instabilità di flusso, " ha affermato Helgeson. I nuovi strumenti di reometro che Helgeson e Anton Paar stanno sviluppando congiuntamente consentiranno una misurazione più diretta di queste instabilità.

"Questo è davvero lo scopo di questa partnership e del nuovo strumento:essere in grado non solo di elaborare nuove tecniche, ma anche guidare il loro uso e comprensione nella risoluzione di alcuni di questi problemi, " Lui ha spiegato.