«Это явление проявляется во всех суспензиях с высокой плотностью частиц, таких как цемент», — говорит Лючио Иса, профессор интерфейсов, мягких материалов и сборки в ETH Zurich. Если цемент перекачивается через трубу на строительной площадке слишком быстро, труба забивается.Повышенное трение из-за шероховатой поверхностиЧастично это связано с характеристиками поверхности твердых частиц в суспензии. «Если сила приложена внезапно, твердые частицы не смогут достаточно быстро уйти с пути.
Вместо этого они вступают в контакт, трясь и блокируя друг друга», — объясняет Иса. Чем грубее поверхность частицы, тем выше трение.Исследователи используют эти свойства для целенаправленного контроля резкого увеличения вязкости плотной суспензии.
Вместо кукурузного крахмала Иса и его коллеги «играли» с однородными частицами силиката микрометрового размера с шероховатой поверхностью. Частицы выглядят как крошечные малины и уже использовались исследователями в более ранних исследованиях (см. Новости ETH от 14 июня 2017 года).
Чиао-Пэн Сюй, докторант, работавший под руководством Исы и профессора ETH Николаса Спенсера, разработал метод, который позволяет ему быстро создать библиотеку этих малиновых частиц с различной шероховатостью поверхности.Более высокая вязкость, несмотря на меньшее количество частицИсследователи использовали эти частицы для создания суспензий, которые они могли проверить на внезапное увеличение вязкости при нагрузке. Результаты показали, что чем грубее частицы, тем меньше нужно было добавить в суспензию для достижения внезапного затвердевания.
Напротив, если использовались гладкие частицы, необходимо было добавить большее количество суспензии, прежде чем исследователи смогли наблюдать внезапное загустение.Исследователи показали, что использование грубых частиц может сэкономить материал: их доля от общего объема в суспензии может быть существенно меньше, чтобы получить тот же эффект.
Когда исследователи смешали грубые и гладкие частицы в единую суспензию, затвердевание также происходило раньше, чем в суспензиях с исключительно гладкими частицами. Исследователи ETH обнаружили, что всего лишь 6 процентов гладких частиц в смеси было достаточно, чтобы значительно снизить увеличение вязкости. «Это как смешать шарикоподшипники и зубчатые колеса», — говорит Иса. «Зубчатые колеса относительно легко соединяются вместе, образуя стабильную цепь, но шарикоподшипники легко разрывают эти цепи и обеспечивают поток».Выращивание «малины» на консолях
Чтобы исследовать трение между отдельными частицами, Сюй и его коллега Шивапракаш Рамакришна прикрепили единственную частицу размером в полмикрона на кантилевер атомно-силового микроскопа. Затем исследователи перемещали частицу по различным шероховатым поверхностям модели, сдвигая кантилевер на несколько сотен нанометров при измерении угла наклона.
Чем сильнее трение, тем больше угол. «Работать с такими частицами на кантилевере было чрезвычайно сложно, так как размеры невероятно малы», — подчеркивает Сюй. «Мы были первой группой, добившейся этого».Аппликации в бронежилетахБудут ли результаты интегрированы в реальные приложения, еще неизвестно.
Исследование — это в первую очередь чистое исследование. «Нашей целью было изучить способы изменения нано- и микроструктур, чтобы повлиять на поведение материалов на макроскопическом уровне, и нам это удалось», — говорит Иса. Результаты можно использовать в повседневных применениях, например, в цементе. «Регулируя поверхности гранул и смешивая их с цементом аналогично нашему эксперименту, можно было бы оптимизировать характеристики текучести цемента».
Но вязкие суспензии со свойствами резкого затвердевания используются и для других целей; например, американский производитель использует вязкие суспензии для разработки пуленепробиваемых и ударопрочных жилетов. «Наше исследование может помочь улучшить такие приложения», — говорит Иса.