Tandpasta, gezichtscrèmes, haar gel, mayonaise en ketchup zijn huishoudelijke artikelen waar de meeste mensen niet lang over nadenken, maar in termen van hun stroomgedrag, ze hebben ongebruikelijke eigenschappen. Het zijn allemaal elasto-visco-plastic (EVP) materialen, die zich in rust gedragen als vaste stoffen, maar kan vloeien als vloeistoffen wanneer deze onder voldoende spanning wordt geplaatst. Ondanks hun alomtegenwoordigheid, het vermogen om hun gedrag te modelleren en te voorspellen is gebaseerd op een theorie waarvan is aangetoond dat deze alleen onder bepaalde omstandigheden werkt.

Wetenschappers van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) en het Laboratory of Fluid Mechanics and Rheology aan de Universiteit van Patras hebben inzichten over deze materialen onthuld door experimenten te combineren met simulaties. Hun onderzoek, gepubliceerd in PNAS , suggereert dat de elasticiteit van de materialen in vaste toestand een belangrijke eigenschap is die in toekomstige modellen moet worden opgenomen.

"Over de afgelopen tien jaar, vooruitgang in microfluïdische experimenten hebben veel onverwachte verschijnselen in de stroom van EVP-materialen aan het licht gebracht, " zei professor John Tsamopoulos, van de Universiteit van Patras. "Voorbeelden zijn de cusped vormen van bellen in de gels en het verlies van symmetrie in de stroom. Deze en andere waarnemingen lieten doorschemeren dat er iets ontbrak in de bestaande theorie. Eerder onderzoek in ons laboratorium suggereerde dat elasticiteit, het vermogen van de microstructuur van het materiaal om te vervormen voordat het meegeeft, was het ontbrekende deel van de puzzel."

Professor Amy Shen, die de OIST-eenheid leidt, zei, "Zelfs wanneer elementaire huishoudelijke artikelen opzij worden gezet, een fundamenteel begrip hebben van hoe EVP-materialenstromen erg nuttig zijn, vooral in de biomedische wetenschappen en geofysica." Bijvoorbeeld, ze legde uit, bloed is een EVP-materiaal - het gedraagt ​​​​zich als een vaste stof in rust, maar stroomt als een vloeistof in slagaders. Bovendien, voegde ze eraan toe, sommige 3D-geprinte weefsels en steigers kunnen EVP-eigenschappen hebben, en, aan de geofysische kant, vulkanische lava gedraagt ​​zich als een EVP-materiaal, zij het op een veel grotere schaal.

Eerder experimenteel onderzoek naar EVP-materialen heeft hun gedrag gemeten onder afschuifstroming, verkregen wanneer lagen vloeistof langs elkaar schuiven. Maar, als het gaat om de industriële verwerking en het gebruik van deze materialen, zoals het spinnen van vezels en printen op printplaten, het is vaak de extensionele stroom - wanneer de vloeistof wordt uitgerekt - die belangrijker is.

De studie van puur extensionele stromingen is een grote uitdaging in experimentele vloeistofdynamica, en de extensionele stroom van EVP-materialen is nog nooit eerder succesvol gemeten in experimenten. Om dit voor het eerst te bereiken, Dr. Simon Haward, de groepsleider van de Eenheid Micro/Bio/Nanofluïdica, gebruikte een nieuw microfluïdisch apparaat dat bekend staat als een cross-slot-geometrie. Het apparaat bestond uit vier kanalen die allemaal haaks op elkaar stonden.

"Binnen de cross-slotgeometrie, we gebruikten een Pluronic-oplossing, een bekend EVP-materiaal, " zei Dr. Haward. "Toen we de twee inkomende kanalen onder druk zetten, die tegenover elkaar lagen, de oplossing werd naar het middelpunt geduwd en kwam uit de andere twee kanalen. De resulterende stroom heeft een punt in het midden waar de snelheid naar nul gaat. In de twee uitgaande kanalen, we genereerden een extensionele stroom waar de vloeistof werd uitgerekt."

In de tussentijd, Professor Yannis Dimakopoulos en onderzoekers van de Universiteit van Patras creëerden een theoretisch model en simuleerden de stroom van twee EVP-materialen:de Pluronic-oplossing en een ander materiaal genaamd Carbopol. Ze toonden aan dat er complexe patronen ontstonden in de stroom, waaronder de aanwezigheid van gestolde gebieden omringd door de vloeibare toestand. Hun bevindingen kwamen overeen met de experimenten die bij OIST werden uitgevoerd.

"Dit model kan eenvoudige EVP-materialen in afschuiving beschrijven, extensionele en gemengde stromen. Hoewel we ons slechts op twee materialen hebben gericht, het kan worden gebruikt op een grote verscheidenheid met verschillende niveaus van elasticiteit, plasticiteit, viscositeit, en andere eigendommen, " zei Stelios Varchanis, een doctoraat kandidaat aan de Universiteit van Patras en eerste auteur van het artikel. "Dit maakt het model geschikt voor het simuleren van stromen tijdens het ontwerp en de optimalisatie van verschillende industriële processen."

Dit onderzoek suggereert dat de bestaande theorie moet worden herzien om de elasticiteit van het materiaal op te nemen. "Afhankelijk van de hoeveelheid vervorming die het EVP-materiaal kan verdragen voordat het meegeeft, het zal zich ofwel gedragen op een manier die dicht in de buurt komt van wat wordt voorspeld door de bestaande theorie of zal zich meer gedragen als een vloeiende elastische vaste stof, ' zei Stelios.

"De experimenten bij OIST vulden de simulaties aan, " zei dr. Cameron Hopkins, van de OIST Micro/Bio/Nanofluïdische eenheid. "Hoewel de Pluronic-oplossing die we hebben bestudeerd slechts zwakke elastische effecten vertoont, een kleine hoeveelheid asymmetrie werd waargenomen in de stroming, wat wijst op een afwijking van puur vloeistofachtig gedrag, dus de elasticiteit kan niet worden verwaarloosd. Onze experimenten boden sterke ondersteuning voor de voorgestelde wijziging van de theorie."

Bij dit onderzoek was ook Dr. Alexandros Syrakos van de Universiteit van Patras betrokken.