Lucio Isa e il suo team di ricercatori hanno spiegato come le caratteristiche superficiali delle microsfere influenzino i rapidi aumenti della viscosità delle sospensioni, gettando così le basi per applicazioni come il cemento scorrevole.

Internet è pieno di video di persone che si divertono a correre sulla melma bianca. Sembra quasi che stiano camminando sull'acqua. Ma quando stanno fermi, iniziano lentamente ad affondare. La melma in questione è solitamente una sospensione concentrata comprendente amido di mais e acqua. Sebbene colloquialmente noto come "oobleck" dal libro per bambini del Dr. Seuss, gli scienziati dei materiali usano il termine "fluido non newtoniano". A differenza di un fluido "normale" (newtoniano), i fluidi non newtoniani possono diventare più viscosi se agiti da un grande, forza che cambia rapidamente. Per un breve momento, il materiale si comporta come un solido. Però, se la forza è costante e debole, il materiale scorre come un normale liquido.

"Questo fenomeno si manifesta in tutte le sospensioni ad alta densità di particelle, come il cemento, "dice Lucio Isa, Professore di Interfacce, Materia soffice e assemblaggio all'ETH di Zurigo. Se il cemento viene pompato troppo rapidamente attraverso un tubo in un cantiere, il tubo si ostruirà.

Maggiore attrito a causa di superfici ruvide

Ciò è in parte dovuto alle caratteristiche superficiali delle particelle solide nella sospensione. "Se una forza viene applicata all'improvviso, le particelle solide non sono in grado di spostarsi abbastanza rapidamente. Anziché, entrano in contatto, sfregarsi e bloccarsi a vicenda", spiega Isa. Più ruvida è la superficie delle particelle, maggiore è l'attrito.

I ricercatori utilizzano queste proprietà per controllare in modo mirato l'improvviso aumento della viscosità in una sospensione densa. Al posto dell'amido di mais, Isa e i suoi colleghi hanno "giocato" in divisa, particelle di silicato di dimensioni micrometriche con superficie ruvida. Le particelle sembrano piccoli lamponi ed erano già state utilizzate dai ricercatori in studi precedenti. Chiao Peng Hsu, uno studente di dottorato che lavora sotto l'Isa e il professore dell'ETH Nicholas Spencer, ha sviluppato un metodo che gli consente di generare rapidamente una libreria di queste particelle a forma di lampone con diverse rugosità superficiali.

Viscosità più elevata nonostante meno particelle

I ricercatori hanno usato queste particelle per creare sospensioni che potevano testare per improvvisi aumenti di viscosità sotto stress. I risultati hanno mostrato che più le particelle sono ruvide, il minor numero doveva essere aggiunto alla sospensione per ottenere un'improvvisa solidificazione. In contrasto, se si usassero particelle lisce, è stato necessario aggiungere una quantità maggiore alla sospensione prima che i ricercatori potessero osservare l'improvviso ispessimento.

I ricercatori hanno dimostrato che l'uso di particelle ruvide potrebbe risparmiare materiale:la loro porzione del volume totale in una sospensione può essere sostanzialmente inferiore per generare lo stesso effetto.

Quando i ricercatori hanno mescolato particelle ruvide e lisce in una singola sospensione, la solidificazione è avvenuta anche prima che nelle sospensioni con particelle esclusivamente lisce. I ricercatori dell'ETH hanno scoperto che appena il 6% di particelle lisce in una miscela era sufficiente per ridurre significativamente l'aumento della viscosità. "È come mischiare cuscinetti a sfera e ruote dentate, " dice Isa. "Le ruote dentate si collegano in modo relativamente semplice per creare una catena stabile, ma i cuscinetti a sfera rompono facilmente quelle catene e consentono il flusso".

Per studiare l'attrito tra le singole particelle, Hsu e il suo collega Shivaprakash Ramakrishna hanno attaccato un singolo, particella di mezzo micrometro su un cantilever di un microscopio a forza atomica. I ricercatori hanno quindi spostato la particella su varie superfici ruvide del modello spostando il cantilever di alcune centinaia di nanometri durante la misurazione dell'angolo di inclinazione. Più forte è l'attrito, maggiore è l'angolo. "Lavorare con questo tipo di particella su un cantilever è stato estremamente difficile, poiché le dimensioni sono incredibilmente ridotte, " sottolinea Hsu. "Siamo stati il ​​primo gruppo a realizzare questo".

Applicazioni in giubbotti antiproiettile

Resta da vedere se i risultati saranno integrati in applicazioni reali. Lo studio è principalmente pura ricerca. "Il nostro obiettivo era studiare i modi in cui possiamo cambiare nano e microstrutture per influenzare il comportamento dei materiali a livello macroscopico, e ci siamo riusciti, " dice Isa. I risultati potrebbero essere utilizzati in applicazioni quotidiane come il cemento. "Regolando le superfici dei granuli e mescolandoli nel cemento in modo simile al nostro esperimento, si potrebbero ottimizzare le caratteristiche di scorrimento del cemento."

Ma le sospensioni viscose con proprietà di solidificazione brusca vengono utilizzate anche per altri scopi; Per esempio, un produttore americano utilizza sospensioni viscose per sviluppare giubbotti di sicurezza a prova di proiettile e pugnalata. "Il nostro studio può aiutare a migliorare questo tipo di applicazioni, "dice Isa.