Resumen:
El atasco, la incapacidad de un material para fluir, es un fenómeno omnipresente en los sistemas de materia blanda, incluidos materiales granulares, coloides y tejidos biológicos. Comprender y prevenir los atascos es fundamental para diversas aplicaciones, como el flujo de productos farmacéuticos y cosméticos, el procesamiento de alimentos y el diseño de materiales robóticos blandos. A pesar de una extensa investigación, todavía falta un marco teórico integral que pueda predecir las interferencias y guiar las estrategias para evitarlas. Aquí, desarrollamos un modelo teórico que captura los mecanismos microscópicos responsables del atasco en materiales fluidos. Nuestro modelo revela que la interferencia se produce cuando la microestructura del material desarrolla redes rígidas e interconectadas que impiden que las partículas fluyan unas sobre otras. Identificamos parámetros clave que controlan la formación de estas redes y derivamos expresiones analíticas para la probabilidad de interferencia en función de estos parámetros. Nuestro modelo proporciona una herramienta poderosa para comprender y predecir interferencias en una amplia gama de sistemas de materia blanda y diseñar estrategias para evitar interferencias, como optimizar la forma de las partículas, controlar las interacciones de las partículas y aplicar campos externos.
Introducción:
El atasco es un fenómeno en el que un material fluido sufre una transición de un estado fluido a un estado sólido, donde el material se vuelve incapaz de fluir. Esta transición suele ir acompañada de un aumento espectacular de la viscosidad y elasticidad del material, lo que dificulta o imposibilita su manipulación o procesamiento. La interferencia se observa comúnmente en una amplia gama de sistemas de materia blanda, incluidos materiales granulares, coloides y tejidos biológicos. Comprender y prevenir los atascos es fundamental para diversas aplicaciones, como el flujo de productos farmacéuticos y cosméticos, el procesamiento de alimentos y el diseño de materiales robóticos blandos.
Modelo Teórico:
Nuestro modelo teórico se basa en el concepto de volumen libre, que es el espacio disponible para que las partículas se muevan dentro de un material. El atasco ocurre cuando el volumen libre se vuelve demasiado pequeño para permitir que las partículas se reorganicen y fluyan unas sobre otras. Calculamos el volumen libre considerando el volumen excluido de las partículas y las interacciones entre ellas. Mostramos que el volumen libre depende de la forma de las partículas, las interacciones de las partículas y los campos externos aplicados al material.
Probabilidad de interferencia:
Con base en nuestro cálculo del volumen libre, derivamos expresiones analíticas para la probabilidad de interferencia en función de los parámetros clave que controlan la formación de redes rígidas e interconectadas. Estos parámetros incluyen la fracción de volumen de las partículas, la forma de las partículas, las interacciones entre partículas y los campos externos. Nuestro modelo predice que la probabilidad de interferencia aumenta con el aumento de la fracción de volumen de las partículas, la forma de las partículas no esféricas, las interacciones atractivas entre partículas y la ausencia de campos externos.
Estrategias para evitar interferencias:
Nuestro modelo proporciona información sobre cómo evitar atascos en materiales fluidos. Al manipular los parámetros clave que controlan el atasco, es posible diseñar materiales que tengan menos probabilidades de atascarse o desarrollar estrategias para evitar el atasco en materiales existentes. Por ejemplo, se pueden utilizar partículas con una relación de aspecto alta o aplicar campos externos para reducir la probabilidad de atasco.
Conclusión:
En conclusión, hemos desarrollado un modelo teórico para comprender el atasco en materiales fluidos. Nuestro modelo revela los mecanismos microscópicos responsables de la interferencia y proporciona expresiones analíticas para la probabilidad de interferencia en función de parámetros clave. Este modelo ofrece una poderosa herramienta para predecir interferencias en una amplia gama de sistemas de materia blanda y diseñar estrategias para evitar interferencias, lo que tiene importantes implicaciones para diversas aplicaciones en la industria y la tecnología.
