Neue Bilder führen zu einer besseren Vorhersage der Scherverdickung

Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, Bilder aufzunehmen, die beispiellose Details darüber liefern, wie sich Teilchen in einer flüssigen Suspension verhalten, wenn das als Scherverdickung bekannte Phänomen auftritt. Die Arbeit ermöglicht ein direktes Verständnis der Prozesse, die der Scherverdickung zugrunde liegen und die bisher nur auf der Grundlage von Schlussfolgerungen und Computermodellen verstanden wurden.

Scherverdickung ist ein Phänomen, das auftreten kann, wenn Partikel in einer Lösung mit niedriger Viskosität suspendiert sind. Wenn die Teilchenkonzentration hoch genug ist, wird die Lösung bei Belastung sehr zähflüssig und verhält sich wie ein Feststoff. Wenn die Spannung entfernt wird oder nachlässt, kehrt die Suspension zu ihrer normalen flüssigkeitsähnlichen Viskosität zurück. Dieses Phänomen ist in beliebten YouTube-Videos zu sehen, in denen Menschen über eine in Wasser suspendierte Maisstärkelösung laufen können, aber in der Lösung versinken, wenn sie stillstehen.

Die Scherverdickung kann je nach Kontext eine Belastung oder ein Vorteil sein.

In Branchen wie der Lebensmittel- oder der pharmazeutischen Industrie versuchen Unternehmen oft, Flüssigkeiten mit hohen Partikelkonzentrationen zu pumpen, um die Herstellungsprozesse effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Wenn diese Unternehmen die Scherverdickung nicht richtig berücksichtigen, können sich die gepumpten Flüssigkeiten stauen oder verstopfen - was sie wertvolle Zeit kostet und möglicherweise ihre Anlagen beschädigt.

Andererseits können die Eigenschaften der Scherverdickung auch zur Entwicklung von kraftabsorbierenden Materialien für Anwendungen wie Körperpanzerungen oder als Mechanismus zur Steuerung der physikalischen Eigenschaften von Soft-Robotik-Geräten genutzt werden.

Aus diesen Gründen haben Forscher jahrelang versucht, genau zu verstehen, wie und warum Scherverdickung auftritt. Die Forscher waren jedoch gezwungen, sich auf indirekte Experimente zu stützen, da sie nicht in der Lage waren, das genaue Verhalten der Partikel in Lösung zu erfassen, während die Scherverdickung stattfindet. Bis jetzt.

Ein Forscherteam der North Carolina State University und der Northeastern University verwendete ein maßgeschneidertes Instrument, ein so genanntes konfokales Rheometer, um mikroskopische Bilder von Partikeln in Lösung aufzunehmen, während sie einer Belastung ausgesetzt waren, die die Scherverdickung auslöste. Zur Unterstützung der experimentellen Beobachtungen wurden Computersimulationen verwendet.

"Mit zunehmender Belastung konnten wir beobachten, wie sich komplexe Netzwerke zwischen den Partikeln bildeten", sagt Lilian Hsiao, korrespondierende Autorin eines Artikels über die Arbeit und Assistenzprofessorin für Chemie- und Biomolekulartechnik an der NC State. "Und die Form dieser Netzwerke war abhängig von der Form und Rauheit der Partikel. Insbesondere die Art und Weise, wie benachbarte Partikel bei Belastung neu angeordnet werden, bestimmt die Art und Weise, wie sie sich durch Scherung verdicken.

"Das Verständnis dieser Korrelationen zwischen der Partikelrauhigkeit, großflächigen Partikeln und der Scherverdickung ermöglicht es uns, das Scherverdickungsverhalten von Suspensionen besser vorherzusagen".

Das Forschungsteam entwickelte insbesondere eine Methode, um anhand der Rauheit der Partikel genauer vorherzusagen, wie viel Stress auf eine bestimmte Partikelkonzentration ausgeübt werden kann, bevor eine Suspension durch Scherung eindickt - und wie viskos die Lösung wird. Die Rauheit der Partikel spielt eine Rolle, weil ihre Oberflächenwechselwirkungen bestimmen, wie dicht die Partikel in der Suspension zusammengepackt oder "eingeklemmt" werden können, bevor sie tatsächlich fest werden.

"Für praktische Anwendungen müssen die Menschen keine eigenen mikroskopischen Bilder davon machen, was während des Scherverdickungsprozesses passiert", sagt Hsiao. "Wenn sie die Rauheit der Partikel in Lösung kennen, können sie bestimmen, welche Konzentrationen für ihre verschiedenen Anwendungen geeignet sind.