Vloeistoffen zoals water zijn Newtoniaanse, en hun stroperige gedrag wordt goed begrepen. Echter, veel voorkomende vloeistoffen zijn "visco-elastisch". Deze vloeistoffen, zoals die vaak worden aangetroffen in cosmetica, zeep en verf, een combinatie van stroperige, vloeibaar en elastisch, solide-achtige eigenschappen en we weten verrassend weinig over hoe ze vloeien.

Ondanks dat we niet veel weten over hun vloei-eigenschappen, fabrikanten voegen deze vloeistoffen toe aan veel verschillende soorten alledaagse producten. Zonder visco-elastische vloeistoffen, het leven zou heel anders aanvoelen. We zouden niet kunnen genieten van het rijke schuim van shampoos, noch de taaie textuur van een gummy snoep, noch het veerkrachtige comfort van een goed gebouwde sportschoen.

Om meer te weten te komen over deze vloeistoffen, onderzoekers van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) bestuderen de stromingseigenschappen en het gedrag van verschillende visco-elastische vloeistoffen. Prof. Amy Shen, leider van de eenheid, en dr. Simon Haward, de groepsleider van de eenheid, onderzoeken twee specifieke soorten vloeistoffen die vaak worden gebruikt in gefabriceerde producten:polymeeroplossingen en 'levende polymeer'-oplossingen.

Polymeren zijn lange moleculen die bestaan ​​uit herhalende subeenheden. Polymere oplossingen hebben een breed scala aan toepassingen, vooral bij de formulering van voedingsmiddelen, inkten, verf en zelfs prothetische vloeistoffen zoals oogdruppels en kunstmatig speeksel. Tijdens de stroom, deze lange polymeermoleculen kunnen worden uitgerekt als elastiekjes, die de vloeistof zijn elasticiteit geven.

In een gezamenlijke studie met professor Gareth McKinley, onderzoeker van het Massachusetts Institute of Technology, Shen en Haward observeerden de stromingspatronen van een reeks visco-elastische polymeeroplossingen via een 4-wegverbinding (Figuur 1). Met behulp van een techniek die door stroming geïnduceerde dubbele breking wordt genoemd, ze toonden aan dat naarmate de stroomsnelheid door de kruising werd verhoogd, polymeermoleculen werden sterk uitgerekt in een smalle streng die door het midden van de kruising ging. Door stroming geïnduceerde dubbele breking wordt veroorzaakt door kleine meetbare veranderingen in de breking van licht dat door een vloeistof gaat wanneer deze in stroming wordt gebracht. Deze veranderingen in lichtbreking correleren direct met elastische spanningen in de stromende vloeistof. De onderzoekers ontdekten dat de sterke elasticiteit in de dubbelbrekende streng ernstige verstoringen van de waargenomen stromingspatronen veroorzaakte. Het verder verhogen van de stroomsnelheid leidde tot het ontstaan ​​van grote fluctuaties of instabiliteiten in de stroompatronen.

Dankzij deze experimenten konden de onderzoekers aantonen dat het mechanisme voor het ontstaan ​​van instabiliteit in deze rekstroming consistent is met dat voor visco-elastische instabiliteiten in andere, meer eenvoudige soorten stromen. In een gebogen pijp, bijvoorbeeld, het begin van instabiliteit kan vrij goed worden voorspeld, afhankelijk van de precieze geometrische omstandigheden en vloeistofeigenschappen. Echter, tot nu toe is nooit aangetoond dat soortgelijke voorspellingen kunnen worden toegepast op strekkende stromen.

Veel industriële processen, zoals extrusie, fiber-spinnen en inkjet printen, omvatten uitrekkende stromen van visco-elastische vloeistoffen. Stromingsinstabiliteiten hebben over het algemeen een nadelig effect op de kwaliteit van eindproducten en beperken zo direct de snelheid waarmee dergelijke processen kunnen worden uitgevoerd. Het vermogen om het begin van instabiliteiten in dergelijke stromen te voorspellen, kan helpen bij het optimaliseren van verwerkingssnelheden en het verkrijgen van superieure eindproducten. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het open access tijdschrift Nature Publishing Wetenschappelijke rapporten .

De Eenheid Micro/Bio/Nanofluïdica bestudeert ook de stroom van 'levende polymeren'. Zoals polymeren, deze materialen vormen lange ketens van meerdere herhalende eenheden, maar in tegenstelling tot polymeren, deze eenheden zijn niet chemisch aan elkaar gebonden, maar vertrouw op andere krachten voor cohesie. Wormachtige micellen (WLM), een soort 'levend polymeer', vorm lang, staafvormige aggregaten gesuspendeerd in een oplossing. Net als bij polymeren, deze materialen hebben tal van industriële toepassingen, inclusief als additieven in shampoos en cosmetica en als materialen om de olie- en gaswinning (EOR) te verbeteren.

WLM-oplossingen worden tijdens het fracken in schalie gepompt om meer olie en gas uit deze ondergrondse rotsformaties te halen. De oplossingen zijn aanvankelijk dik en gelachtig, waardoor ze hoge drukken kunnen genereren en de schalie kunnen breken. Echter, wanneer ze in contact komen met de koolwaterstoffen, de micellen komen uit elkaar waardoor de oplossing zich meer als water gedraagt ​​en gemakkelijk uit de rots kan stromen.

Deze schalieformaties bevatten veel obstakels die de stroom van oplossingen binnenin veranderen. Prof. Shen besloot een vereenvoudigd model te gebruiken om het stroompatroon van WLM-oplossingen te bestuderen wanneer er een verstopping aanwezig is. Dr. Ya Zhao, een voormalig afgestudeerde student van Prof. Shen aan de Universiteit van Washington, bouwde een microschaalkanaal waarin ze de stroom van WLM-oplossingen rond een cilinder kon observeren die als een obstructie in het stroompad fungeerden. Vervolgens vergeleek ze de stromingspatronen van een Newtonse vloeistof en een WLM-oplossing door de strepen te observeren die worden gevormd door fluorescerende tracerdeeltjes. Ze mat ook de groei van spanningen in de WLM-oplossing met behulp van door stroming geïnduceerde dubbele breking.

Bepalen hoe deze materialen stromen is van vitaal belang bij het optimaliseren van hun toepassingen. Deze materialen komen voor in een grote verscheidenheid aan producten en worden gebruikt in veel industriële processen, hun optimalisatie een prioriteit maken voor fabrikanten. Het bepalen van hun stroomgedrag is een stap dichter bij het bereiken van het volledige potentieel van deze producten.