Heb je je ooit afgevraagd waarom je je fles ketchup of mosterd moet schudden voordat je hem inschenkt? Of waarom, om uit drijfzand te komen, moet je langzaam bewegen? Of waarom je op het oppervlak van een suspensie van maizena in water kunt rennen, maar je zou zinken als je erop probeerde te lopen?

Het gemeenschappelijke kenmerk van al deze raadsels zijn niet-Newtonse vloeistoffen, waarvan de mechanische eigenschappen veranderen afhankelijk van het niveau en het type kracht dat erop wordt uitgeoefend. Ze komen de hele tijd in het dagelijks leven tegen, maar de meeste mensen weten niet hoe technisch ze kunnen zijn, met zorgvuldig samengestelde deeltjes, polymeren en andere additieven om ze het gewenste vloeigedrag te geven.

"Om deze vloeistoffen te ontwerpen, u moet deze zelfde eigenschappen begrijpen vanuit zowel een toepassings- als verwerkingsstandpunt, " zei Matthew Helgeson, een professor in de UC Santa Barbara Department of Chemical Engineering. "Bijvoorbeeld, Specerijen zijn ontworpen om dik te zijn, zodat je ze uit de fles kunt halen en op je boterham kunt smeren zonder overal te rennen, maar tegelijkertijd moeten ze in de fabriek snel kunnen worden gemengd en gebotteld."

Ondanks het alomtegenwoordige gebruik, deze en andere complexe vloeistoffen zijn een uitdaging om te construeren omdat de relaties tussen microscopisch gedrag en stromingseigenschappen moeilijk waar te nemen zijn, zei Helgeson. Op macroscopisch niveau is het gemakkelijk te zien hoe het materiaal reageert op stress, maar wat er structureel gebeurt als het op kracht reageert, blijft een beetje een mysterie.

Echter, dat technische dilemma gaat veranderen. In een samenwerking met de in Oostenrijk gevestigde fabrikant van laboratoriuminstrumentatie Anton Paar, Het laboratorium van Helgeson heeft nieuwe meetmethoden ontwikkeld voor een gespecialiseerd, state-of-the-art reometer waarmee onderzoekers niet alleen het mechanische gedrag van niet-Newtoniaanse vloeistoffen en zachte materie kunnen karakteriseren, maar ook om op microscopisch niveau te zien hoe de vloeistof en structuren vloeien en vervormen als reactie op stress. De kennis die door dit type instrumentatie wordt gegenereerd, zal brede toepassingen hebben in academisch en industrieel onderzoek.

Een typische reometer bestaat meestal uit twee bewegende oppervlakken, zoals concentrische cilinders, die roteren om de vloeistof te laten vervormen. Door de kracht te meten die nodig is om de cilinders te laten draaien, het is mogelijk om de mechanische eigenschappen van de vloeistof te bepalen. Het is meestal onmogelijk om de stroming in deze geometrieën te zien, en dus wordt aangenomen dat de hoeveelheid vervorming in de vloeistof tussen de oppervlakken overal hetzelfde is, zoals het geval is voor een Newtoniaanse vloeistof zoals water.

Niet zo met veel niet-Newtoniaanse vloeistoffen, volgens Helgeson.

"Het wordt veel ingewikkelder, "zei hij. "Typisch wat er gebeurt, is dat je een klein gebied krijgt dat meegeeft, zodat het stroomt, en al het andere zit daar gewoon of beweegt heel langzaam." Meer kracht staat niet altijd gelijk aan meer stroming, hij voegde toe, totdat het opgebrachte gebied groeit om het vloeistofvolume te vullen.

"Deze overgang van niet stromend naar stromend is belangrijk voor een breed scala aan complexe vloeistoffen, " zei Helgeson. En de details van de stroom in dit proces, hij legde uit, zijn vaak ontoegankelijk voor reometers, die typisch alleen gevoelig zijn voor de vloeistof die direct aan de oppervlakken stroomt.

"Een van de voordelen van deze instrumentatie die we met Anton Paar hebben ontwikkeld, is de mogelijkheid om direct te visualiseren wat er in de stroom gebeurt, " zei Helgeson. Met behulp van laseroptica en lichtverstrooiende deeltjes, onderzoekers zullen de vloeistofvervorming kunnen volgen en gebruiken om te begrijpen wat er gebeurt in de microstructuur van de vloeistof.

"Als je deze vloeistoffen wilt engineeren, je moet echt kunnen karakteriseren wat er in de stroom gebeurt om de macroscopische respons te veroorzaken die je meet, " hij zei.

Naarmate productiemethoden en materialen geavanceerder worden, deze kennis zal essentieel worden. Bijvoorbeeld, om nieuwe en verschillende soorten materialen te kunnen gebruiken voor 3D-printers en additive manufacturing, de gebruikte colloïdale en polymere inkten moeten gemakkelijk door het mondstuk kunnen stromen en toch feilloos kunnen uitharden om de gewenste structuur te bereiken.

Volgens Helgeson, de samenwerking met Anton Paar is ongebruikelijk omdat UCSB-onderzoekers de hand hebben in het creëren van nieuwe instrumentatie en meetmethoden voordat ze commercieel beschikbaar komen.

"Op die manier, het partnerschap is echt tweerichtingsverkeer, " zei hij. "De nieuwe reometer biedt ons state-of-the-art meetmogelijkheden, en tegelijkertijd bieden we nieuwe tools en analyses die anderen in de wetenschappelijke en industriële gemeenschap kunnen gebruiken."

polymeren, bijvoorbeeld, zoals die worden gebruikt in displays, organische fotovoltaïsche en flexibele elektronica, moeten perfecte moleculaire en atomaire arrangementen hebben om effectief te zijn, dus fabricagetechnieken met stroming moeten worden verbeterd om betere prestaties en lagere kosten te bereiken.

"Je laat deze polymeren door allerlei soorten extrusie, injectie- en coatingprocessen, die defecten in het materiaal kunnen veroorzaken die het gevolg zijn van stromingsinstabiliteiten, "Zei Helgeson. De nieuwe reometertools die Helgeson en Anton Paar samen ontwikkelen, zullen een directere meting van deze instabiliteiten mogelijk maken.

“Daar gaat dit partnerschap en het nieuwe instrument echt over:niet alleen nieuwe technieken kunnen bedenken, maar ook hun gebruik en begrip stimuleren bij het oplossen van sommige van deze problemen, " hij legde uit.