Wat schilderen, vaatwasmiddel, ketchup en bloed gemeen hebben? Ze zijn allemaal samengesteld uit deeltjes gesuspendeerd in een dragervloeistof, vloeien wanneer geroerd of geforceerd, maar in rust dik of zelfs gelachtig blijven.

Dat zeer nuttige gedrag in complexe vloeistoffen wordt afschuifverdunning genoemd:hun viscositeit neemt af tijdens het mengen en neemt toe in rust. Maar bepaalde vloeistoffen, wanneer de mengsnelheid toeneemt - zoals vereist in veel grootschalige industriële processen - door het gebied van afschuifverdunning kan gaan en naar een gebied kan gaan waar de viscositeit dramatisch toeneemt, en deze vloeistoffen worden moeilijk of onmogelijk te roeren. Dit effect, bekend als afschuifverdikking, er wordt al tientallen jaren onderzoek naar gedaan terwijl ingenieurs probeerden complexe productieproblemen op te lossen die door het fenomeen werden veroorzaakt.

Eind jaren tachtig, wetenschapper Richard L. Hoffman stelde een eenvoudig model voor:wanneer vloeistoffen bij lage snelheden worden gemengd, de zwevende deeltjes vormen geordende lagen die gemakkelijk over elkaar kunnen schuiven, doorstroming te vergemakkelijken. Maar bij blootstelling aan hoge snelheden, de lagen raken ontregeld en struikelen over elkaar, doorstroming belemmeren; deze verandering in het type stroom wordt 'overgang van orde naar stoornis' genoemd. Het lijkt een beetje op een wanordelijke menigte, duwt en schuifelt zich een weg door een overvolle uitgang.

Andere onderzoekers konden dit gedrag in veel vloeistoffen waarnemen, maar niet in elke schuifverdikkende vloeistof. Dus, wetenschappers stelden verschillende andere modellen voor om het fenomeen van schuifverdikking te verklaren, maar geen van hen behandelt Hoffmans model.

"Dus de puzzel blijft, hoe is orde-tot-wanorde van deeltjes gerelateerd aan schuifverdikkingsgedrag? Waarom gebeurt het alleen in bepaalde complexe vloeistoffen?" zei Xiao-Min Lin, nanowetenschapper bij het Center for Nanoscale Materials van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Nutsvoorzieningen, een Argonne-team van nanowetenschappers en natuurkundigen heeft dit 30-jarige mysterie ontrafeld door een schuifverdikkende vloeistof met in situ röntgenkarakterisering te bestuderen.

"Het combineren van een reometer, die de viscositeit van de vloeistof meet, met röntgenkarakterisering creëert een uniek instrument dat de structuur van deeltjes kan begrijpen wanneer ze in realtime bewegen, " zei Suresh Narayanan, een andere hoofdwetenschapper van het project en fysicus in de Time Resolved Research Group in Argonne's X-ray Science-divisie.

Het team heeft altijd vermoed dat deeltjesuniformiteit een rol zou kunnen spelen bij dit fenomeen. Dus Jonghun Lee, de leidende postdoctorale fellow van dit project, gesynthetiseerde zeer uniforme silica nanodeeltjes van drie verschillende diameters. Met behulp van een specifieke ultragevoelige kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) techniek bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), Lin, Narayanan en hun team - nu aangevuld met andere leden van de Time Resolved Research Group - hebben in realtime gemeten hoe de nanodeeltjes vloeiden als reactie op een uitgeoefende kracht.

De inspanning van de groep werd beloond. De zeer uniforme ophangingen die door het team werden gecreëerd, maakten het mogelijk om de twee fenomenen te scheiden:de overgang van orde naar stoornis en normale afschuifverdikking. Tot nu, ze waren niet te onderscheiden in andere experimenten. De gegevens die in situ werden vastgelegd, bewezen dat de overgang van orde naar stoornis die in de jaren tachtig werd ontdekt, plaatsvindt in gebieden met een lagere spanning en dat de gestage afschuifverdikking optreedt in gebieden met een hogere spanning. Met andere woorden, deze gedragingen worden aangestuurd door twee afzonderlijke, onafhankelijke mechanismen.

"Maar als je niet-uniforme deeltjes hebt, deze twee gedragingen vallen samen in dezelfde regio, waardoor ze niet van elkaar te onderscheiden zijn, "zei Leen.

Het team probeert nu het mechanisme te begrijpen dat echt bijdraagt ​​aan afschuifverdikking. Deze studies kunnen leiden tot toepassingen in driedimensionaal printen, de chemische industrie en de biomedische sector.

Dit werk, getiteld "Ontrafel de rol van de overgang van orde naar stoornis in afschuifverdikkende suspensies, " werd gepubliceerd in een januari-editie van Fysieke beoordelingsbrieven .