Honing is al een dikke vloeistof, maar laat het beginnen te kristalliseren en het kan ronduit klonterig worden. De suikerkristallen in suspensie lijken de viscositeit te verhogen. Dit fenomeen doet zich overal in de natuurlijke en geconstrueerde wereld voor:van modderstromen tot verf, suspensies van deeltjes hebben de neiging zich te gedragen als stroperige vloeistoffen.

Ingenieurs gebruiken dit in hun voordeel door de macroscopische eigenschappen van een suspensie te modelleren op basis van de grootte en concentratie van de deeltjes. Deze benadering valt echter op een bepaalde schaal uiteen. Virgile Thiévenaz en Alban Sauret van UC Santa Barbara probeerden te bepalen wanneer en hoe.

Ze ontdekten dat deeltjes zich niet gelijkmatig verspreiden zodra een suspensie onder een bepaalde lengteschaal zakt, zoals wanneer de vloeistof naar binnen knijpt om de nek van een druppel te vormen. Uiteindelijk zal er een dun gebied zijn zonder deeltjes die zich als een pure vloeistof gedragen. De bevindingen, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences , benadrukken de limiet van benaderingen en hebben veel potentiële toepassingen in industriële omgevingen.

Viscositeit kwantificeert de interne wrijving tussen lagen van een vloeistof. In een stroperige vloeistof oefent één laag meer weerstand uit op zijn naaste, waardoor een dikkere vloeistof wordt geproduceerd die beter bestand is tegen vervorming en stroming. Deeltjes in een suspensie gedragen zich op een vergelijkbare manier. Het is waarschijnlijker dat een deeltje beweegt wanneer zijn buren bewegen, waardoor de effectieve viscositeit van de vloeistof toeneemt. Hogere concentraties brengen deeltjes dichter bij elkaar, waardoor het effect wordt versterkt. "Dus als je de suspensie van veraf bekijkt, is het gewoon een meer stroperige vloeistof", legt Thiévenaz, een postdoctoraal onderzoeker op de afdeling werktuigbouwkunde, uit.

Thiévenaz en Sauret zagen in druppelexperimenten dat suspensies zich als een stroperige vloeistof tot een bepaalde dikte uitrekken, waarna het mogelijk wordt om de deeltjes van elkaar weg te trekken. Hierdoor ontstaan ​​regio's met wisselende concentraties die zich anders gedragen. Uiteindelijk zal een gebied geen deeltjes bevatten en zal het zich gedragen als een pure vloeistof. Hierna vereenvoudigt de effectieve viscositeit tot die van de pure vloeistof.

Ingenieurs hebben veel gegevens verzameld om de effectieve viscositeit van suspensies met deeltjesgrootte en concentratie op grote schaal te kalibreren. De uitdaging van Thiévenaz en Sauret was om erachter te komen op welke schaal de benaderingen die klassiek werden gebruikt om ophangingen te modelleren, begonnen te ontrafelen.

Met meer experimenten stelden de auteurs vast dat deze drempel ook varieert met de deeltjesgrootte en concentratie. Een suspensie zal zich gaan gedragen als een stroperige vloeistof en zich meer gaan gedragen als een heterogeen mengsel op schalen die vergelijkbaar zijn met de grootte van de deeltjes.

Interessant is dat kleinere deeltjes een verhoudingsgewijs sterker effect lijken te hebben. "In verhouding tot de deeltjesgrootte is de drempel veel groter voor kleine deeltjes bij een bepaalde concentratie", zegt Sauret, een assistent-professor werktuigbouwkunde.

Een suspensie met een concentratie van 30% van 140 micrometer deeltjes kan zich bijvoorbeeld soepel gedragen tot op schalen van 600 µm, of ongeveer vier keer de diameter van de deeltjes. Maar een suspensie met deeltjes van 20 µm in dezelfde concentratie kan dit effect tot 250 µm vertonen:een kleinere schaal in het algemeen, maar meer dan 12 keer de diameter van de deeltjes.

Het voorspellen van het gedrag van een ophanging heeft belangrijke toepassingen in de productie. Een proces kan het manipuleren van films of het creëren van kleine druppeltjes vereisen, en technici moeten de eigenschappen van deze systemen kunnen voorspellen. Voor ondergedompelde onderdelen kan het correct manipuleren van de deeltjes in een film het verschil zijn tussen een afgewerkt product en een absolute puinhoop, legde Sauret uit.

Spraycoating geeft een nog duidelijker beeld van dit fenomeen. Een pure vloeistof, zoals een vernis, zal zich anders gedragen dan een suspensie, zoals verf, bij het spuiten van een product. In vergelijking met een pure vloeistof met dezelfde effectieve viscositeit, zal een suspensie eerder breken met minder, grotere druppels. De volgende taak van de onderzoekers is om te bepalen hoe het aantal en de grootte van druppeltjes afhangt van parameters als snelheid, deeltjesconcentratie en deeltjesgrootte.

Het benaderen van suspensies als viskeuze vloeistoffen werkt goed, maar alleen op bepaalde schalen. "Op een gegeven moment gaat dat mislukken," zei Sauret. "En we moeten kunnen zeggen, 'op dit moment kun je deze aanpak niet gebruiken, en in plaats daarvan moet je een andere methode gebruiken.'" + Verder verkennen

Nieuwe afbeeldingen leiden tot betere voorspelling van afschuifverdikking