Onderzoekers gebruiken ultrasone golven om de viscositeit van schuifverdikkende materialen te manipuleren, vaste stoffen in slush veranderen - en weer terug.

De studie, "Akoestische verstoringen gebruiken om afschuifverdikking in colloïdale suspensies dynamisch af te stemmen, " werd gepubliceerd op 17 september in Fysieke beoordelingsbrieven .

Afschuifverdikkende vloeistoffen zijn een klasse van materialen die vloeien als vloeistof, maar stollen wanneer ze snel worden samengedrukt of afgeschoven, zoals drijfzand en Oobleck, het kinderspel slijm. Technische toepassingen voor het materiaal variëren van zachte kogelvrije vesten en astronautenpakken tot 3D-printen van metalen en keramiek.

Maar het afschuifverdikkingsproces kan niet meewerken:hoe meer je het materiaal manipuleert, hoe meer het stolt, wat in het geval van 3D-printen en de fabricage van beton kan leiden tot verstopte sproeiers en vastgelopen trechters.

Itai Cohen, hoogleraar en co-senior auteur van het artikel, eerder een manier gevonden om het materiaal te manipuleren - of "af te stemmen" door de stijve structuren of krachtketens gevormd door de deeltjes in deze suspensies door loodrechte oscillatie uit elkaar te halen. Maar die methode bleek onpraktisch. Het is niet gemakkelijk, ten slotte, om een ​​fabriekspijp te schudden en te draaien.

Cohen en Ph.D. student Meera Ramaswamy werkte samen met Brian Kirby, hoogleraar techniek, en Ph.D. student Prateek Sehgal, die akoestische transducers hebben gebruikt om micro- en nanoschaaldeeltjes in Kirby's lab te manipuleren.

Sehgal ontwikkelde een eenvoudig maar effectief apparaat dat bestaat uit een bodemplaat met een akoestische transducer - een piëzo genaamd - die ultrasone golven genereert.

"Als je die piëzo op een bepaalde frequentie en een bepaalde spanning opwindt, het straalt de akoestische golven uit via de bodemplaat naar de ophanging. Deze akoestische storingen breken de krachtketens die verantwoordelijk zijn voor afschuifverdikking, " zei Segal, co-lead auteur van het papier met Ramaswamy.

"De verstoringen die je teweegbrengt zijn eigenlijk echt, heel klein, dus er is niet veel nodig om de contactkrachten tussen de microdeeltjes te verbreken, "Zei Cohen. "Dit is het belangrijkste inzicht dat ons in staat stelde om na te denken over het toepassen van dit soort verstoringen en om het te laten werken. In principe, elke geometrie waar je een stroom hebt die verdikt is, je kunt nu gewoon een piëzo erop slaan en die regio verdikken. Deze strategie maakt de toepasbaarheid alleen maar toegankelijker voor een veel breder scala aan toepassingen."

De onderzoekers ontwikkelden de aanpak door deeltjes te manipuleren in stoffen tot 1,3 mm dik, maar omdat ultrasone golven zich over grote afstanden in materiaal kunnen voortplanten, Kirby verwacht dat het wordt gebruikt op pijpen zo breed als een voet. Mogelijke toepassingen zijn onder meer voedselverwerking, in het bijzonder voor materialen met deeltjessuspensies zoals pasta's, de vervaardiging van beton, evenals het 3D-printen van keramiek en metalen.

Het gebruik van akoestische energie is ook een waardevol wetenschappelijk hulpmiddel voor onderzoekers die het verdikkingsgedrag en de systeemdynamiek van een materiaal bestuderen. Typisch, verdikking bestuderen, men moet beginnen met een ontspannen ophanging en de stromen opvoeren. Dit proces, echter, kan lang duren.