Voor de eerste keer, onderzoekers hebben beelden kunnen vastleggen die ongekende details bieden van hoe deeltjes zich gedragen in een vloeibare suspensie wanneer het fenomeen dat bekend staat als afschuifverdikking plaatsvindt. Het werk stelt ons in staat om de processen achter afschuifverdikking direct te begrijpen, die voorheen alleen werden begrepen op basis van gevolgtrekkingen en computationele modellering.

Afschuifverdikking is een fenomeen dat kan optreden wanneer deeltjes worden gesuspendeerd in een laagviskeuze oplossing. Als de concentratie van deeltjes hoog genoeg is, als er dan spanning op de oplossing wordt uitgeoefend, wordt deze zeer stroperig en gedraagt ​​​​het zich effectief als een vaste stof. Wanneer de stress wordt verwijderd of verdwijnt, de suspensie keert terug naar zijn normale vloeistofachtige viscositeit. Dit fenomeen is te zien in populaire YouTube-video's waarin mensen een oplossing van maïszetmeel in water kunnen tegenkomen, maar in de oplossing wegzinken als ze stil staan.

Afschuifverdikking kan een nadeel of een voordeel zijn, afhankelijk van de context.

Bijvoorbeeld, in industrieën van voedselverwerking tot farmaceutische productie, bedrijven proberen vaak vloeistoffen met hoge deeltjesconcentraties te verpompen om productieprocessen efficiënter en kosteneffectiever te maken. En als die bedrijven geen rekening houden met afschuifverdikking, de vloeistoffen die worden verpompt, kunnen vastlopen of verstoppen, wat hen kostbare tijd kost en mogelijk hun apparatuur kan beschadigen.

Anderzijds, de eigenschappen van afschuifverdikking kunnen ook worden gebruikt om krachtabsorberende materialen te ontwikkelen voor toepassingen zoals kogelvrije vesten, of als een mechanisme voor het regelen van de fysieke kenmerken van zachte robotica-apparaten.

Om deze redenen, onderzoekers hebben jarenlang geprobeerd om precies te begrijpen hoe en waarom schuifverdikking optreedt. Echter, onderzoekers zijn gedwongen te vertrouwen op indirecte experimenten, omdat ze niet in staat waren om het precieze gedrag van de deeltjes in oplossing vast te leggen wanneer afschuifverdikking plaatsvindt. Tot nu.

Een team van onderzoekers van North Carolina State University en Northeastern University gebruikte een op maat gemaakt instrument, een confocale reometer genoemd, om microscopische beelden van deeltjes in oplossing vast te leggen terwijl ze werden blootgesteld aan stress om afschuifverdikking te veroorzaken. Computersimulaties werden gebruikt om de experimentele waarnemingen te ondersteunen.

"Naarmate de stress toenam, we konden complexe netwerken zien ontstaan ​​tussen deeltjes, " zegt Lilian Hsiao, corresponderende auteur van een paper over het werk en een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering bij NC State. "En de vormen van deze netwerken waren afhankelijk van de vorm en ruwheid van de deeltjes. de manier waarop aangrenzende deeltjes worden herschikt wanneer spanning wordt uitgeoefend, bepaalt de manier waarop ze dikker worden.

"Het begrijpen van deze correlaties tussen deeltjesruwheid, grootschalige deeltjes, en afschuifverdikking stellen ons in staat om het afschuifverdikkingsgedrag van suspensies beter te voorspellen."

specifiek, het onderzoeksteam ontwikkelde een manier om nauwkeuriger te voorspellen hoeveel spanning kan worden uitgeoefend op een bepaalde concentratie van deeltjes voordat een suspensie afschuifverdikking begint te ervaren - en ook hoe viskeus de oplossing zal worden - op basis van de ruwheid van de deeltjes. De ruwheid van de deeltjes is van belang omdat hun oppervlakte-interacties dicteren hoe dicht de deeltjes bij elkaar kunnen worden gepakt, of "vastgelopen, " in de ophanging voordat het effectief solide wordt.

"Voor praktische toepassingen, mensen hoeven niet hun eigen microscopiebeelden vast te leggen van wat er gebeurt tijdens het afschuifverdikkingsproces, " zegt Hsiao. "Als ze de ruwheid kennen van de deeltjes die ze in oplossing hebben, ze zullen in staat zijn om te bepalen welke concentraties zullen werken voor hun verschillende toepassingen."

De krant, "Jamming Distance dicteert colloïdale afschuifverdikking, " is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .