Lucio Isa en zijn team van onderzoekers hebben uitgelegd hoe de oppervlakte-eigenschappen van microsferen de snelle toename van de viscositeit van suspensies beïnvloeden, daarmee de basis leggen voor toepassingen zoals soepel stromend cement.

Het internet staat vol met video's van mensen die plezier hebben over wit slijm. Het lijkt bijna alsof ze op het water lopen. Maar als ze stil staan, ze beginnen langzaam te zinken. Het slijm in kwestie is meestal een geconcentreerde suspensie die bestaat uit maïszetmeel en water. Hoewel in de volksmond bekend als "oobleck" naar het kinderboek van Dr. Seuss, materiaalwetenschappers gebruiken de term "niet-Newtonse vloeistof". In tegenstelling tot een "normale" (Newtoniaanse) vloeistof, niet-Newtoniaanse vloeistoffen kunnen stroperiger worden wanneer ze worden beïnvloed door een grote, snel veranderende kracht. Voor een kort moment, het materiaal gedraagt ​​zich als een vaste stof. Echter, als de kracht constant en zwak is, het materiaal stroomt als een normale vloeistof.

"Dit fenomeen komt voor in alle suspensies met een hoge deeltjesdichtheid, zoals cement, " zegt Lucio Isa, hoogleraar interfaces, Zachte materie en assemblage bij ETH Zürich. Als cement op een bouwplaats te snel door een leiding wordt gepompt, de pijp zal verstoppen.

Hogere wrijving door ruwe oppervlakken

Dit komt gedeeltelijk door de oppervlakte-eigenschappen van de vaste deeltjes in de suspensie. "Als er plotseling een kracht wordt uitgeoefend, de vaste deeltjes kunnen niet snel genoeg uit de weg gaan. In plaats daarvan, ze komen in aanraking, tegen elkaar wrijven en elkaar blokkeren", legt Isa uit. Hoe ruwer het deeltjesoppervlak, hoe hoger de wrijving.

Onderzoekers gebruiken deze eigenschappen om de plotselinge toename van de viscositeit in een dichte suspensie gericht te beheersen. In plaats van maizena, Isa en zijn collega's "speelden" met uniform, micrometergrote silicaatdeeltjes met een ruw oppervlak. De deeltjes zien eruit als kleine frambozen en waren al door de onderzoekers gebruikt in eerdere studies. Chiao Peng Hsu, een doctoraatsstudent die werkt onder Isa en ETH-professor Nicholas Spencer, heeft een methode ontwikkeld waarmee hij snel een bibliotheek van deze framboosvormige deeltjes met verschillende oppervlakteruwheden kan genereren.

Hogere viscositeit ondanks minder deeltjes

De onderzoekers gebruikten deze deeltjes om suspensies te creëren die ze konden testen op plotselinge toename van de viscositeit onder stress. De resultaten toonden aan dat hoe ruwer de deeltjes, hoe minder er aan de suspensie moesten worden toegevoegd om een ​​plotselinge stolling te bereiken. In tegenstelling tot, als gladde deeltjes werden gebruikt, er moest een grotere hoeveelheid aan de suspensie worden toegevoegd voordat de onderzoekers de plotselinge verdikking konden waarnemen.

De onderzoekers toonden aan dat het gebruik van ruwe deeltjes materiaal kan besparen:hun aandeel in het totale volume in een suspensie kan aanzienlijk lager zijn om hetzelfde effect te genereren.

Toen de onderzoekers ruwe en gladde deeltjes in een enkele suspensie mengden, stolling trad ook eerder op dan in suspensies met uitsluitend gladde deeltjes. De ETH-onderzoekers ontdekten dat slechts 6 procent gladde deeltjes in een mengsel voldoende was om de viscositeitstoename aanzienlijk te verminderen. "Het is alsof je kogellagers en tandwielen door elkaar haalt, " zegt Isa. "De tandwielen koppelen relatief eenvoudig aan elkaar om een ​​stabiele ketting te creëren, maar de kogellagers breken die kettingen gemakkelijk en zorgen voor stroming."

Om de wrijving tussen individuele deeltjes te onderzoeken, Hsu en zijn collega Shivaprakash Ramakrishna bevestigden een single, deeltje van een halve micrometer op een cantilever van een atoomkrachtmicroscoop. De onderzoekers verplaatsten het deeltje vervolgens over verschillende ruwe modeloppervlakken door de cantilever een paar honderd nanometer te verschuiven terwijl ze de hellingshoek meten. Hoe sterker de wrijving, hoe groter de hoek. "Werken met dit soort deeltjes op een cantilever was extreem moeilijk, omdat de afmetingen ongelooflijk klein zijn, " benadrukt Hsu. "Wij waren de eerste groep die dit voor elkaar kreeg."

Toepassingen in kogelwerende vesten

Of de resultaten zullen worden geïntegreerd in real-life toepassingen valt nog te bezien. Het onderzoek is in de eerste plaats puur onderzoek. "Ons doel was om de manieren te onderzoeken waarop we nano- en microstructuren kunnen veranderen om materiaalgedrag op macroscopisch niveau te beïnvloeden, en het is ons gelukt, " zegt Isa. De bevindingen kunnen worden gebruikt in alledaagse toepassingen zoals cement. "Door de oppervlakken van korrels aan te passen en ze in cement te mengen op een vergelijkbare manier als ons experiment, men zou de vloei-eigenschappen van cement kunnen optimaliseren."

Maar viskeuze suspensies met abrupte stollingseigenschappen worden ook voor andere doeleinden gebruikt; bijvoorbeeld, een Amerikaanse fabrikant gebruikt viskeuze suspensies om kogel- en steekwerende veiligheidsvesten te ontwikkelen. "Onze studie kan helpen bij het verbeteren van dit soort toepassingen, "zegt Isa.