cosa dipingi, detersivo per lavastoviglie, ketchup e sangue hanno in comune? Tutti sono composti da particelle sospese in un liquido vettore, flusso quando agitato o forzato, ma rimangono denso o addirittura gelatinoso a riposo.

Questo comportamento molto utile nei fluidi complessi è chiamato shear thinning:la loro viscosità diminuisce durante la miscelazione e aumenta a riposo. Ma certi fluidi, quando la velocità di miscelazione aumenta, come richiesto in molti processi industriali su larga scala, può passare attraverso la regione di diradamento del taglio e spostarsi in una regione in cui la viscosità aumenta notevolmente, e questi fluidi diventano difficili o impossibili da mescolare. Questo effetto, noto come ispessimento a taglio, è stata oggetto di indagine per diversi decenni poiché gli ingegneri cercavano di risolvere problemi di produzione complessi causati dal fenomeno.

Alla fine degli anni '80, lo scienziato Richard L. Hoffman ha proposto un modello semplice:quando i fluidi vengono miscelati a basse velocità, le particelle sospese formano strati ordinati che possono scorrere facilmente l'uno sull'altro, flusso facilitante. Ma quando esposto ad alte velocità, gli strati si disordinano e inciampano l'uno sull'altro, ostacolare il flusso; questo cambiamento nel tipo di flusso è chiamato "transizione dall'ordine al disordine". È un po' come una folla disordinata, spingendosi e trascinandosi attraverso un'uscita congestionata.

Altri ricercatori sono stati in grado di osservare questo comportamento in molti fluidi, ma non in ogni fluido ispessente da taglio. Così, gli scienziati hanno proposto diversi altri modelli per spiegare il fenomeno dell'ispessimento da taglio, ma nessuno di loro affronta il modello di Hoffman.

"Quindi il puzzle rimane, in che modo l'ordine-disordine delle particelle è correlato al comportamento di ispessimento da taglio? Perché accade solo in certi fluidi complessi?" ha detto Xiao-Min Lin, nanoscienziato presso il Center for Nanoscale Materials presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Ora, un team Argonne di nanoscienziati e fisici ha svelato questo mistero di 30 anni studiando un fluido ispessente da taglio con caratterizzazione a raggi X in situ.

"Combinando un reometro, che misura la viscosità del liquido, con la caratterizzazione a raggi X crea uno strumento unico in grado di comprendere la struttura delle particelle quando si muovono in tempo reale, " disse Suresh Narayanan, un altro scienziato capo del progetto e fisico del Time Resolved Research Group nella divisione X-ray Science di Argonne.

Il team ha sempre sospettato che l'uniformità delle particelle potesse svolgere un ruolo in questo fenomeno. Quindi Jonghun Lee, il borsista postdottorato principale di questo progetto, sintetizzato nanoparticelle di silice altamente uniformi di tre diversi diametri. Utilizzando una specifica tecnica di scattering di raggi X a piccolo angolo ultrasensibile (SAXS) presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, Lin, Narayanan e il loro team, ora potenziato con altri membri del Time Resolved Research Group, hanno misurato come le nanoparticelle scorrevano in risposta a una forza applicata in tempo reale.

Lo sforzo del gruppo è stato premiato. Le sospensioni altamente uniformi create dal team hanno permesso la separazione dei due fenomeni:transizione da ordine a disordine e normale ispessimento del taglio. Fino ad ora, erano stati indistinguibili in altri esperimenti. I dati acquisiti in situ hanno dimostrato che la transizione da ordine a disordine scoperta negli anni '80 si verifica nelle regioni a minore stress e l'ispessimento a taglio costante si verifica nelle regioni a maggiore stress. In altre parole, questi comportamenti sono guidati da due distinti, meccanismi indipendenti.

"Ma quando hai particelle non uniformi, questi due comportamenti collassano nella stessa regione, rendendoli indistinguibili, " ha detto Lee.

Il team ora cerca di capire il meccanismo che realmente contribuisce all'ispessimento del taglio. Questi studi potrebbero portare ad applicazioni nella stampa tridimensionale, l'industria chimica e il settore biomedico.

Questo lavoro, intitolato "Svelare il ruolo della transizione da ordine a disordine nelle sospensioni di ispessimento di taglio, " è stato pubblicato in un numero di gennaio di Lettere di revisione fisica .