Rendering di immagini microscopiche ottenute dal reometro confocale, che mostra le intricate architetture di rete formate da particelle lisce (in alto) e ruvide (in basso) in sospensioni ispessite a forte taglio. Le particelle raggruppate sono state tagliate via dal centro di ogni immagine e sostituite con linee blu che illustrano la natura delle reti formate tra le particelle. Credito:Lilian Hsiao, Università statale della Carolina del Nord
Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di catturare immagini che forniscono dettagli senza precedenti su come le particelle si comportano in una sospensione liquida quando si verifica il fenomeno noto come ispessimento a taglio. Il lavoro ci consente di comprendere direttamente i processi alla base dell'ispessimento a taglio, che in precedenza era stato compreso solo sulla base dell'inferenza e della modellazione computazionale.
L'ispessimento a taglio è un fenomeno che può verificarsi quando le particelle sono sospese in una soluzione a bassa viscosità. Se la concentrazione di particelle è sufficientemente alta, poi quando lo stress viene applicato alla soluzione diventa molto viscosa, comportandosi effettivamente come un solido. Quando lo stress viene rimosso o dissipato, la sospensione ritorna alla sua normale viscosità fluida. Questo fenomeno può essere visto nei popolari video di YouTube in cui le persone sono in grado di imbattersi in una soluzione di amido di mais sospesa nell'acqua, ma affondano nella soluzione quando stanno ferme.
L'ispessimento a taglio può essere un ostacolo o un vantaggio, a seconda del contesto.
Per esempio, nelle industrie dalla trasformazione alimentare alla produzione farmaceutica, le aziende spesso cercano di pompare liquidi con alte concentrazioni di particelle per rendere i processi di produzione più efficienti ed economici. E se quelle aziende non tengono adeguatamente conto dell'ispessimento da taglio, i liquidi pompati possono incepparsi o intasarsi, costando loro tempo prezioso e potenzialmente danneggiando le loro apparecchiature.
D'altra parte, le proprietà dell'ispessimento a taglio possono essere utilizzate anche per sviluppare materiali che assorbono la forza da utilizzare in applicazioni come armature, o come meccanismo per controllare le caratteristiche fisiche dei dispositivi di robotica morbida.
Per queste ragioni, i ricercatori hanno passato anni a cercare di capire con precisione come e perché si verifica l'ispessimento da taglio. Però, i ricercatori sono stati costretti a fare affidamento su sperimentazioni indirette, perché non sono stati in grado di catturare il comportamento preciso delle particelle in soluzione durante l'ispessimento a taglio. Fino ad ora.
Un team di ricercatori della North Carolina State University e della Northeastern University ha utilizzato uno strumento personalizzato, chiamato reometro confocale, per catturare immagini microscopiche di particelle in soluzione mentre sono state esposte a stress al fine di innescare l'ispessimento di taglio. Le simulazioni al computer sono state utilizzate per supportare le osservazioni sperimentali.
"Con l'aumentare dello stress, siamo stati in grado di vedere la formazione di reti complesse tra le particelle, "dice Lilian Hsiao, autore corrispondente di un articolo sul lavoro e assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la NC State. "E le forme di queste reti dipendevano dalla forma e dalla rugosità delle particelle. In particolare, il modo in cui le particelle vicine vengono riorganizzate quando viene applicata la sollecitazione determina il modo in cui si ispessiscono per taglio.
"Capire queste correlazioni tra la rugosità delle particelle, particelle su larga scala, e l'ispessimento a taglio ci consentono di prevedere meglio il comportamento dell'ispessimento a taglio delle sospensioni."
Nello specifico, il team di ricerca ha sviluppato un modo per prevedere in modo più accurato quanto stress può essere applicato a una data concentrazione di particelle prima che una sospensione inizi a subire un ispessimento da taglio, nonché quanto viscosa diventerà la soluzione, in base alla rugosità delle particelle. La rugosità delle particelle è importante perché le loro interazioni superficiali determinano quanto strettamente le particelle possono essere impacchettate insieme, o "inceppato, " nella sospensione prima di diventare effettivamente solido.
"Per le applicazioni pratiche, le persone non avranno bisogno di catturare le proprie immagini al microscopio di ciò che sta accadendo durante il processo di ispessimento del taglio, " dice Hsiao. "Se conoscono la rugosità delle particelle che hanno in soluzione, saranno in grado di determinare quali concentrazioni funzioneranno per le loro varie applicazioni".
La carta, "La distanza di inceppamento impone l'ispessimento del taglio colloidale, " è pubblicato in Lettere di revisione fisica .
