Pasta dental, cremas faciales, gel para el cabello, la mayonesa y la salsa de tomate son artículos para el hogar en los que la mayoría de la gente no piensa dos veces, pero en términos de su comportamiento de flujo, tienen propiedades inusuales. Todos son materiales elasto-visco-plásticos (EVP), que se comportan como sólidos en reposo, pero puede ceder para fluir como líquidos cuando se somete a suficiente tensión. A pesar de su ubicuidad, la capacidad de modelar y predecir su comportamiento se basa en una teoría que solo se ha demostrado que funciona en determinadas condiciones.

Científicos de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa de la Universidad de Graduados (OIST) y del Laboratorio de Mecánica de Fluidos y Reología de la Universidad de Patras han revelado conocimientos sobre estos materiales combinando experimentos con simulaciones. Su investigación, publicado en PNAS , sugiere que la elasticidad de los materiales en su estado sólido es una propiedad clave que debería incluirse en modelos futuros.

"Durante la ultima decada, Los avances en los experimentos de microfluidos han revelado muchos fenómenos inesperados en el flujo de materiales de EVP, "dijo el profesor John Tsamopoulos, de la Universidad de Patras. "Los ejemplos incluyen las formas cúspides de las burbujas en los geles y la pérdida de simetría en el flujo. Estas y otras observaciones indicaron que algo faltaba en la teoría existente. Investigaciones anteriores en nuestro laboratorio sugirieron que la elasticidad, la capacidad de la microestructura del material para deformarse antes de ceder, era la parte que faltaba del rompecabezas ".

Profesora Amy Shen, quien lidera la Unidad OIST, dijo, "Incluso cuando se reservan los artículos básicos del hogar, Tener una comprensión fundamental de cómo fluyen los materiales de EVP es muy útil, especialmente en ciencias biomédicas y geofísica ". Por ejemplo, Ella explicó, la sangre es un material EVP:se comporta como un sólido en reposo, pero fluye como un líquido en las arterias. Y lo que es más, ella añadió, Algunos tejidos y andamios impresos en 3D pueden tener propiedades EVP, y, por el lado de la geofísica, La lava volcánica se comporta como un material EVP, aunque a una escala mucho mayor.

Investigaciones experimentales anteriores sobre materiales EVP han medido su comportamiento bajo flujo de cizallamiento, obtenido cuando las capas de fluido se deslizan unas sobre otras. Pero, en lo que respecta al procesamiento industrial y los usos de estos materiales, como el hilado de fibra y la impresión de placas de circuito, a menudo es el flujo extensional, cuando el líquido se estira, lo que es más importante.

El estudio de flujos puramente extensionales es un gran desafío en la dinámica de fluidos experimental, y el flujo extensional de materiales EVP nunca antes se había medido con éxito en experimentos. Para lograr esto por primera vez, Dr. Simon Haward, el líder del grupo de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica, utilizó un aparato de microfluidos novedoso conocido como geometría de ranura cruzada. El aparato constaba de cuatro canales que formaban ángulos rectos entre sí.

"Dentro de la geometría de ranuras cruzadas, utilizamos una solución Pluronic, un conocido material EVP, ", dijo el Dr. Haward." Cuando presionamos los dos canales de entrada, que estaban ubicados uno frente al otro, la solución fue empujada hacia el punto central y salió de los otros dos canales. El flujo resultante tiene un punto en el centro donde la velocidad llega a cero. En los dos canales de salida, generamos un flujo extensional donde el fluido se estiró ".

Mientras tanto, El profesor Yannis Dimakopoulos e investigadores de la Universidad de Patras crearon un modelo teórico y simularon el flujo de dos materiales EVP:la solución Pluronic y otro material llamado Carbopol. Mostraron que surgen patrones complejos en el flujo, que incluía la presencia de regiones solidificadas rodeadas por el estado líquido. Sus hallazgos coincidieron con los experimentos realizados en OIST.

"Este modelo puede describir materiales EVP simples en cizalla, Flujos extensionales y mixtos. Aunque solo nos enfocamos en dos materiales, Podría usarse en una amplia variedad con diferentes niveles de elasticidad, plasticidad, viscosidad, y otras propiedades, "dijo Stelios Varchanis, un doctorado candidato en la Universidad de Patras y primer autor del artículo. "Esto hace que el modelo sea apropiado para simular flujos durante el diseño y optimización de varios procesos industriales".

Esta investigación sugiere que la teoría existente debe revisarse para incluir la elasticidad del material. "Dependiendo de la cantidad de deformación que el material EVP pueda soportar antes de ceder, se comportará de una manera cercana a lo que predice la teoría existente o se comportará más como un sólido elástico que fluye, "dijo Stelios.

"Los experimentos en OIST complementaron las simulaciones, "dijo el Dr. Cameron Hopkins, de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos de OIST. "Aunque la solución Pluronic que estudiamos solo exhibe efectos elásticos débiles, se observó una pequeña cantidad de asimetría en el flujo que indica una desviación del comportamiento puramente fluido, por lo que la elasticidad no se puede descuidar. Nuestros experimentos proporcionaron un fuerte apoyo para la modificación propuesta de la teoría ".

Esta investigación también involucró al Dr. Alexandros Syrakos de la Universidad de Patras.