Se mescoli amido di mais e acqua nelle giuste proporzioni, otterrai qualcosa che non sembra del tutto liquido ma nemmeno del tutto solido. Oobleck scorre e si deposita come un liquido quando non viene toccato, ma si irrigidisce quando provi a raccoglierlo o a mescolarlo con un cucchiaio. Le proprietà dell'oobleck e di altri fluidi non newtoniani, tra cui Silly Putty, sabbie mobili, vernice e yogurt, cambiano sotto stress o pressione e gli scienziati lottano da tempo per dimostrare esattamente il motivo.
Ora, i ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell’Università di Chicago hanno utilizzato nanoparticelle piezoelettriche, che a loro volta cambiano in risposta alla pressione, per studiare la fisica fondamentale dei fluidi non newtoniani. Il team ha scoperto il ruolo chiave dell'attrito tra le particelle nel far passare i materiali da una struttura fluida a una struttura più solida.
"Ciò non solo risponde a domande di base di vecchia data sulle origini fisiche di questi materiali, ma apre le porte alla progettazione di nuovi fluidi non newtoniani con applicazioni pratiche", ha affermato Stuart Rowan, professore di ingegneria molecolare a Barry L. MacLean e co. -autore senior dell'articolo, pubblicato in Proceedings of the National Academy of Sciences .
Tra queste potenziali applicazioni ci sono vernici che non formano grumi, liquidi che si induriscono formando uno stampo quando vengono agitati e indumenti protettivi indossabili che si irrigidiscono quando vengono colpiti.
Una caratteristica dei fluidi non newtoniani è che la loro viscosità (ovvero il loro spessore) cambia drasticamente quando i materiali sono sotto stress. Per alcuni materiali, ciò significa assottigliarsi con lo stress. Agitare una bottiglia di ketchup può rendere il condimento drasticamente più versabile; yogurt, maionese e dentifricio mantengono la loro forma in un contenitore ma diventano più liquidi dopo l'uso.
Ma altri materiali come l'oobleck, che è una sospensione concentrata di particelle, si comportano esattamente al contrario:può sembrare solido mentre viene manipolato, ma collassa in una pozzanghera quando viene posizionato.
Gli scienziati hanno formulato ipotesi sul perché le sospensioni concentrate di particelle cambiano quando vengono tagliate, essendo esposte a molteplici forze che agiscono in direzioni diverse. Queste ipotesi riguardano principalmente il modo in cui le molecole e le particelle che compongono i materiali possono interagire tra loro in modi diversi in condizioni diverse, ma ciascuna ipotesi è difficile da dimostrare.
"Per comprendere queste sospensioni concentrate di particelle, vogliamo essere in grado di osservare la struttura su scala nanometrica, ma le particelle sono così incredibilmente affollate insieme che immaginare queste strutture è molto difficile", ha spiegato lo studioso post-dottorato Hojin Kim, il primo autore del nuovo articolo. .
Per superare questa sfida, Kim ha collaborato con Rowan, Aaron Esser-Kahn, anche lui professore al PME ed esperto di piezochimica, e Heinrich Jaeger, professore di fisica del Sewell Avery Distinguished Service. Il team ha sviluppato una tecnica che misura il cambiamento nella conduttanza elettrica in base alla forza di taglio esercitata su di essa. Quindi, hanno sospeso la nanoparticella in un liquido a una concentrazione tale da mostrare proprietà non newtoniane allo stesso modo dell'oobleck.
I ricercatori hanno applicato la forza di taglio alla parte superiore e inferiore del liquido e contemporaneamente hanno misurato i cambiamenti risultanti sia nella viscosità che nei segnali elettrici. Ciò ha permesso loro di determinare come interagivano le particelle mentre passavano da un materiale più liquido a un materiale più solido.
"Abbiamo scoperto che l'attrito tra le particelle era fondamentale per questa transizione", ha affermato Kim. "In questa soluzione concentrata di particelle, c'è un punto critico quando l'attrito raggiunge un certo livello e la viscosità aumenta improvvisamente."
Comprendere le forze fisiche in gioco in una soluzione concentrata di particelle è un passo verso la possibilità di progettare nuovi fluidi non newtoniani in laboratorio. Un giorno, questi materiali ingegnerizzati potrebbero avere proprietà personalizzate che consentiranno agli scienziati di controllare la loro viscosità attraverso lo stress. In alcuni casi, ciò potrebbe tradursi in una minore formazione di grumi e intasamenti da parte di liquidi come vernice e cemento. In altri casi, potrebbe significare un indurimento mirato dei materiali quando desiderato.
"Per qualsiasi applicazione, speriamo di poter eventualmente determinare la combinazione ideale di solventi, particelle e condizioni di taglio per ottenere le proprietà che desideriamo", ha affermato Kim. "Questo articolo potrebbe sembrare una ricerca fondamentale, ma in realtà i fluidi non newtoniani sono ovunque e quindi ha molte applicazioni."
Per ora, i ricercatori di Pritzker Molecular Engineering e UChicago stanno pianificando di sfruttare l'attività piezoelettrica indotta dallo stress delle loro sospensioni di nanoparticelle per progettare nuovi materiali adattivi e reattivi che, ad esempio, diventano più rigidi sotto la forza meccanica.
Ulteriori informazioni: Hojin Kim et al, Attrito attivato dallo stress in sospensioni tagliate sondate con nanoparticelle piezoelettriche, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2310088120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università di Chicago
