Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Nieuw begrip van oobleck-achtige vloeistoffen draagt ​​bij aan slim materiaalontwerp

Proceedings of the National Academy of Sciences .

Tot deze mogelijke toepassingen behoren verf die niet klontert, vloeistoffen die uitharden tot een mal wanneer ze worden geschud, en draagbare beschermende kleding die verstijft als ze worden geraakt.

Piëzo-elektrische sondes

Een kenmerk van niet-Newtoniaanse vloeistoffen is dat hun viscositeit (hoe dik ze ook zijn) dramatisch verandert als de materialen onder spanning staan. Voor sommige materialen betekent dit dat ze onder spanning dunner worden. Door een ketchupfles te schudden, kan de smaakmaker aanzienlijk beter schenkbaar worden; yoghurt, mayonaise en tandpasta behouden hun vorm in een bakje, maar worden bij gebruik vloeibaarder.

Maar andere materialen zoals oobleck, een geconcentreerde deeltjessuspensie, gedragen zich precies het tegenovergestelde:het kan stevig aanvoelen terwijl het wordt gemanipuleerd, maar in een plas instorten als het wordt neergezet.

Wetenschappers hebben hypothesen geformuleerd over de reden waarom geconcentreerde deeltjessuspensies veranderen wanneer ze worden afgeschoven, omdat ze worden blootgesteld aan meerdere krachten die in verschillende richtingen werken. Deze hypothesen hebben vooral betrekking op de manier waarop de moleculen en deeltjes waaruit de materialen bestaan ​​op verschillende manieren met elkaar kunnen interageren onder verschillende omstandigheden, maar elke hypothese is moeilijk te bewijzen.

"Om deze geconcentreerde deeltjessuspensies te begrijpen, willen we naar de structuur op nanoschaal kunnen kijken, maar de deeltjes zijn zo ongelooflijk opeengepakt dat het heel moeilijk is om deze structuren in beeld te brengen", legt postdoctoraal onderzoeker Hojin Kim uit, de eerste auteur van het nieuwe artikel. .

Om deze uitdaging het hoofd te bieden, werkte Kim samen met Rowan, Aaron Esser-Kahn, ook een professor in de PME en een expert in piëzochemie, en Heinrich Jaeger, de Sewell Avery Distinguished Service Professor of Physics. Het team ontwikkelde een techniek die de verandering in elektrische geleiding meet op basis van de schuifkracht die erop wordt uitgeoefend. Vervolgens suspendeerden ze het nanodeeltje in een vloeistof in een zodanige concentratie dat het niet-Newtoniaanse eigenschappen vertoonde, net als oobleck.

De onderzoekers oefenden schuifkracht uit op de boven- en onderkant van de vloeistof en maten tegelijkertijd de resulterende veranderingen in zowel de viscositeit als de elektrische signalen. Hierdoor konden ze bepalen hoe de deeltjes met elkaar in wisselwerking stonden toen ze veranderden van een meer vloeibaar naar een meer vast materiaal.

"We ontdekten dat wrijving tussen deeltjes cruciaal was voor deze overgang", zei Kim. "In deze geconcentreerde deeltjesoplossing is er een omslagpunt wanneer de wrijving een bepaald niveau bereikt en de viscositeit abrupt toeneemt."

Een reeks toepassingen

Het begrijpen van de fysieke krachten die een rol spelen in een geconcentreerde deeltjesoplossing is een stap in de richting van het kunnen ontwerpen van nieuwe niet-Newtoniaanse vloeistoffen in het laboratorium. Op een dag zouden deze technische materialen aangepaste eigenschappen kunnen hebben waarmee wetenschappers hun viscositeit onder invloed van stress kunnen beheersen. In sommige gevallen kan dit zich vertalen in minder klontering en verstopping van vloeistoffen zoals verf en beton. In andere gevallen kan het een doelbewuste verharding van materialen betekenen, indien gewenst.

"Voor elke toepassing hopen we dat we uiteindelijk de ideale combinatie van oplosmiddelen en deeltjes en afschuifomstandigheden kunnen bepalen om de gewenste eigenschappen te verkrijgen", aldus Kim. "Dit artikel lijkt misschien heel fundamenteel onderzoek, maar in werkelijkheid zijn niet-Newtoniaanse vloeistoffen overal aanwezig, en dus heeft dit veel toepassingen."

Voorlopig zijn de onderzoekers van Pritzker Molecular Engineering en UChicago van plan om te profiteren van de door stress geïnduceerde piëzo-elektrische activiteit van hun nanodeeltjessuspensies om nieuwe adaptieve en responsieve materialen te ontwerpen die bijvoorbeeld stijver worden onder mechanische kracht.

Meer informatie: Hojin Kim et al., Door stress geactiveerde wrijving in geschoren suspensies onderzocht met piëzo-elektrische nanodeeltjes, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2310088120

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Chicago




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Waarom zijn er geen zeeslangen in de Atlantische Oceaan?
  2. Nieuw multi-task deep learning-framework integreert grootschalige proteomics- en transcriptomics-gegevens van één cel
  3. Pad naar de bruine kleur van diatomeeën ontdekt
  4. Arabische gom van de Afrikaanse acaciabomen in de Sahel wordt in honderden producten gebruikt:wat is het waard om te weten
  5. Wat is Jamais Vu?
  6. De Term Synapsis is geassocieerd met welk proces?
  7. Soorten redeneringen in Geometry
  8. Wat is het verschil tussen een Centriole en een Centrosome?
  9. Het bacteriële sociale netwerk hacken

Wetenschap