Una gocciolina di olio di silicone si stacca da fluidi con diverse concentrazioni di particelle da 140 µm:(A) è liquido puro, (B) è una concentrazione del 2%, (C) è del 20% e (D) è del 50%. Credito:Thiévenaz e Sauret
Il miele è già un liquido denso, ma lascia che inizi a cristallizzare e può diventare addirittura grumoso. I cristalli di zucchero in sospensione sembrano aumentarne la viscosità. Questo fenomeno si verifica in tutto il mondo naturale e costruito:dalle colate di fango alla pittura, le sospensioni di particelle tendono a comportarsi come fluidi viscosi.
Gli ingegneri lo sfruttano a proprio vantaggio modellando le proprietà macroscopiche di una sospensione in base alle dimensioni e alla concentrazione delle sue particelle. Tuttavia, questa approssimazione si rompe a una certa scala. Virgile Thiévenaz e Alban Sauret dell'UC Santa Barbara hanno cercato di determinare quando e come.
Hanno scoperto che le particelle non si diffondono in modo uniforme una volta che una sospensione scende al di sotto di una certa scala di lunghezza, come quando il fluido si pizzica per formare il collo di una gocciolina. Alla fine, ci sarà una regione sottile senza particelle che si comportano come un liquido puro. I risultati, pubblicati negli Proceedings of the National Academy of Sciences , evidenziare il limite delle approssimazioni e avere molte potenziali applicazioni in contesti industriali.
La viscosità quantifica l'attrito interno tra gli strati di un fluido. In un liquido viscoso, uno strato esercita una maggiore resistenza sul suo vicino, producendo un fluido più denso che è più resistente alla deformazione e al flusso. Le particelle in una sospensione si comportano in modo simile. È più probabile che una particella si muova quando si muovono i suoi vicini, il che aumenta la viscosità effettiva del fluido. Concentrazioni più elevate avvicinano le particelle, rafforzando l'effetto. "Quindi finché guardi la sospensione da lontano, è solo un liquido più viscoso", ha spiegato Thiévenaz, ricercatore post-dottorato nel dipartimento di ingegneria meccanica.
In esperimenti con le goccioline, Thiévenaz e Sauret hanno osservato che le sospensioni si allungheranno come un liquido viscoso fino a un certo spessore, dopo di che diventa possibile allontanare le particelle l'una dall'altra. Questo crea regioni con concentrazioni variabili che si comportano in modo diverso. Alla fine, una regione non conterrà particelle e agirà come un fluido puro. Successivamente, la viscosità effettiva si semplifica a quella del liquido puro.
Gli ingegneri hanno raccolto molti dati per calibrare la viscosità effettiva delle sospensioni con la dimensione delle particelle e la concentrazione su larga scala. La sfida di Thiévenaz e Sauret è stata quella di capire a quale scala iniziassero a disfarsi le approssimazioni usate classicamente per modellare le sospensioni.
Con ulteriori sperimentazioni, gli autori hanno determinato che questa soglia varia anche con la dimensione e la concentrazione delle particelle. Una sospensione passerà dall'agire come un fluido viscoso a comportarsi più come una miscela eterogenea a scale pari alla dimensione delle particelle.
È interessante notare che le particelle più piccole sembrano avere un effetto proporzionalmente più forte. "Relativamente alla dimensione delle particelle, la soglia è molto più grande per le particelle piccole a una data concentrazione", ha affermato Sauret, un assistente professore di ingegneria meccanica.
Ad esempio, una sospensione con una concentrazione del 30% di particelle di 140 micrometri può comportarsi in modo uniforme fino a scale di 600 µm, o circa quattro volte il diametro delle particelle. Ma una sospensione con particelle di 20 µm alla stessa concentrazione può mostrare questo effetto fino a 250 µm:una scala complessivamente più piccola, ma più di 12 volte il diametro delle particelle.
La previsione del comportamento di una sospensione ha importanti applicazioni nella produzione. Un processo può richiedere la manipolazione di pellicole o la creazione di minuscole goccioline e i tecnici devono essere in grado di prevedere le proprietà di questi sistemi. Per le parti rivestite a immersione, manipolare correttamente le particelle in una pellicola può fare la differenza tra un prodotto finito e un pasticcio assoluto, ha spiegato Sauret.
Il rivestimento a spruzzo fornisce un'illustrazione ancora più chiara di questo fenomeno. Un liquido puro, come una vernice, si comporterà in modo diverso rispetto a una sospensione, come la vernice, quando si ricopre un prodotto a spruzzo. Rispetto a un liquido puro con la stessa viscosità effettiva, una sospensione si romperà prima con meno goccioline più grandi. Il prossimo compito dei ricercatori è determinare in che modo il numero e la dimensione delle goccioline dipende da parametri come la velocità, la concentrazione delle particelle e la dimensione delle particelle.
Approssimare le sospensioni come liquidi viscosi funziona bene, ma solo a determinate scale. "A un certo punto fallirà", ha detto Sauret. "E dobbiamo essere in grado di dire, 'a questo punto non puoi usare questo approccio, e invece devi usare un metodo diverso.'" + Esplora ulteriormente
