La pasta de dientes tiene un trabajo duro. No solo tiene que realizar funciones esenciales como limpiar los residuos de café de tus dientes blancos, sino que también debe permanecer en el tubo, salir suavemente bajo presión y equilibrarse sobre un montón de cerdas sin correr por todo el lavabo del baño.
Y todos los usuarios, en todas partes, aprecian que el exceso de pasta extruido, pero que no es necesario en el cepillo de dientes, se deslice sin problemas nuevamente dentro del tubo.
Este es un ejemplo de una suspensión elastoplástica tixotrópica hecha de muchas partículas diferentes. Eso sí que es un bocado.
Según Norman Wagner, catedrático Unidel Robert L. Pigford de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Delaware, este tipo de suspensiones se encuentran en todo, desde lociones hasta tintas de impresión 3D y materiales básicos para artículos, incluidos neumáticos de caucho, arcillas, cementos y más.
Muchos de estos materiales se fabrican mediante experimentación:prueba y error. ¿El material de sus neumáticos no tiene suficiente absorción de impactos? Mezcle un nuevo lote de partículas para reducir el rebote.
Wagner y un equipo de investigadores de la UD se preguntaron si había una manera de comenzar a partir de una imagen fundamental de las partículas y sus interacciones en la parte frontal, que pudiera controlarse mediante la química, para desarrollar un producto final con las propiedades materiales deseadas.
El resultado es un modelo fundamental con aplicaciones para comprender una variedad de materiales, incluido el flujo sanguíneo humano, productos de consumo como plásticos o dispersiones de negro de carbón y sílice que se encuentran en productos industriales para la fabricación de neumáticos y semiconductores.
El enfoque del equipo de investigación apareció recientemente en la portada del AIChE Journal. .
Mientras ingenieros de todo el país convergen en Orlando, Florida, esta semana para la reunión anual AIChE 2023, celebrada del 5 al 10 de noviembre, UDaily habló con Wagner sobre el trabajo.
Wagner:Cosas como la pasta de dientes, los cementos, los geopolímeros (incluso productos domésticos comunes como la botella de plástico de detergente para la ropa) están compuestos de muchas partículas que se combinan o se rompen en diferentes condiciones. En la pasta de dientes, hay partículas para limpiar, refrescar el aliento y hacer que la pasta de dientes forme espuma. Las partículas de plástico, como las botellas de detergente para ropa, le dan color a la botella.
Este artículo aborda un nuevo enfoque que hemos estado desarrollando en nuestro grupo para partir de una imagen fundamental de las partículas y sus interacciones para conectar los puntos entre la estructura del material, cómo eso se ve afectado por el flujo de procesamiento y cómo conduce a una solución final. propiedades del material.
En teoría, esto nos permitiría comenzar con una descripción fundamental, que se puede controlar a través de la química, y luego desarrollar un producto final que le proporcione las propiedades del material deseadas. El modelo se basa en el modelo de equilibrio poblacional, una herramienta muy poderosa utilizada en ingeniería química, así como en otras disciplinas. Por ejemplo, mi grupo de investigación utilizó esta herramienta durante la pandemia para modelar cómo el comportamiento podría influir en la transmisión del coronavirus (COVID-19) en la comunidad UD.
Wagner:Esto podría ser asegurar que la pasta de dientes permanezca en el cepillo de dientes o que el ketchup permanezca en el hot dog sin ensuciar. Eso es trivial. Pero tomemos un panel solar, donde hay conexiones que se hacen a través de partículas de plata en una pasta. Aquí básicamente desea serigrafiar una suspensión de partículas de plata y luego fusionar esas partículas de plata para formar los cables. Ahora, si puedes mejorar eso, fabricarás paneles solares que durarán más, pero ese cable también cubrirá algunos de los paneles que podrían estar recolectando energía solar.
Entonces, una posible aplicación donde este tipo de modelado es muy importante son los procesos industriales como la impresión, porque si podemos hacer que los cables sean mejores, más estrechos o más uniformes, entendiendo cómo formular mejor la pasta para obtener la impresión que queremos, podríamos ser capaz de mejorar la eficiencia de un panel solar en un pequeño porcentaje. Multiplique ese pequeño porcentaje por una cantidad infinita de paneles solares y obtendrá una gran cantidad.
Entonces, cuando desea mejores productos, plásticos más resistentes, mejores elementos automotrices, la capacidad de imprimir en 3D sistemas rellenos como cerámica, metales o cemento, necesita un mejor control del comportamiento del flujo y las propiedades finales del material.
Wagner:El flujo sanguíneo es interesante. Las células sanguíneas son partículas. En su cuerpo, los glóbulos rojos se juntan y se apilan como monedas. Estas pilas forman agregados de partículas que son importantes para la forma en que la sangre fluye por el cuerpo, el corazón y las arterias, por ejemplo.
Necesitamos que las células sanguíneas se agreguen para cosas como la coagulación, pero no queremos que se agreguen en el lugar equivocado en el momento equivocado. Por lo tanto, es importante modelar esto correctamente para casos de uso, como dispositivos de atención médica u otras aplicaciones.
P:¿Por qué es tan importante que su trabajo aparezca en la portada del AIChE Journal? ?
Wagner:Para la ingeniería química, esta es la revista insignia de nuestra disciplina. Eso es especial. Es un enfoque fundamentalmente nuevo. La gente ha realizado modelos de equilibrio poblacional y modelado empíricamente este tipo de fluidos durante mucho tiempo. Pero la gente realmente no ha establecido la conexión de una manera que sirva de base para futuros trabajos.
Hicimos la teoría. Disponemos de datos experimentales que ayudaron a validar esta ciencia fundamental y existen aplicaciones claras para muchos problemas industriales en los que podría valer la pena probar este enfoque.
Wagner:Es interesante pensar en las personas involucradas, en particular los estudiantes y dónde terminaron después de este trabajo. Por ejemplo, Soham Jarawal, que realizó el trabajo de modelado y basó su tesis doctoral en este proyecto, ahora está en W.L. Gore modelando el flujo sanguíneo. Julie Hipp, una ex estudiante de posgrado, realizó un trabajo premiado de dispersión de neutrones para medir estas distribuciones y tamaños de partículas bajo flujo en negro de humo que ayudó a validar esta nueva teoría. Hoy trabaja en Procter and Gamble. Luego está Rong Song, quien pasó un tiempo trabajando con Chemours en tecnología de partículas de dióxido de titanio mientras completaba su maestría en la UD.
Este trabajo es un hermoso ejemplo de cómo diferentes conocimientos y colaboraciones se unen para hacer algo fundamental que puede usarse para mejorar los materiales que se encuentran en todas partes, desde el cuidado de la salud hasta la industria y los productos y procesos de consumo. También es una mirada a los lugares donde estos colaboradores llevan lo que han aprendido, su educación y experiencias, y crecen en nuevas direcciones fuera de la UD.
Más información: Soham Jariwala et al, Un modelo polidisperso para suspensiones elasto-viscoplásticas tixotrópicas de partículas agregantes utilizando equilibrios de población, AIChE Journal (2023). DOI:10.1002/aic.18184
Proporcionado por la Universidad de Delaware
