Los fluidos como el agua son newtonianos, y su comportamiento viscoso es bien conocido. Sin embargo, muchos fluidos comunes son "viscoelásticos". Estos fluidos como los que se encuentran comúnmente en cosméticos, jabones y pinturas, poseer una combinación de viscoso, líquido y elástico, propiedades de tipo sólido y sabemos sorprendentemente poco sobre cómo fluyen.

A pesar de no saber mucho sobre sus propiedades de flujo, Los fabricantes agregan estos fluidos a muchos tipos diferentes de productos cotidianos. Sin fluidos viscoelásticos, la vida se sentiría muy diferente. No podríamos disfrutar de la rica espuma de los champús, ni la textura masticable de un caramelo gomoso, ni la comodidad elástica de un calzado deportivo bien construido.

Para comprender más sobre estos fluidos, Investigadores de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) estudian las propiedades de flujo y el comportamiento de diferentes fluidos viscoelásticos. Prof. Amy Shen, líder de la unidad, y el Dr. Simon Haward, el líder del grupo de la unidad, están investigando dos tipos específicos de líquidos comúnmente utilizados en productos manufacturados:soluciones de polímero y soluciones de 'polímero vivo'.

Los polímeros son moléculas largas compuestas por subunidades repetidas. Las soluciones poliméricas tienen una amplia gama de aplicaciones, particularmente en la formulación de alimentos, tintas pinturas e incluso fluidos protésicos como colirios y saliva artificial. Durante el flujo, estas largas moléculas de polímero pueden estirarse como bandas de goma, que dan al fluido su elasticidad.

En un estudio colaborativo con el profesor Gareth McKinley, investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Shen y Haward observaron los patrones de flujo de una serie de soluciones de polímero viscoelástico a través de una unión de 4 vías (Figura 1). Usando una técnica llamada birrefringencia inducida por flujo, demostraron que a medida que aumentaba la tasa de flujo a través de la unión, Las moléculas de polímero se estiraron mucho en una hebra estrecha que pasa por el centro de la unión. La birrefringencia inducida por el flujo es causada por pequeños cambios mensurables en la refracción de la luz que pasa a través de un líquido cuando se hace fluir. Estos cambios en la refracción de la luz se correlacionan directamente con las tensiones elásticas en el fluido que fluye. Los investigadores encontraron que la fuerte elasticidad dentro de la hebra birrefringente provocó graves distorsiones de los patrones de flujo observados. El aumento adicional de la tasa de flujo condujo a la aparición de grandes fluctuaciones o inestabilidades en los patrones de flujo.

Estos experimentos permitieron a los investigadores demostrar que el mecanismo para el inicio de la inestabilidad en este flujo de estiramiento es consistente con el de las inestabilidades viscoelásticas en otros, tipos de flujos más simples. En un tubo curvo por ejemplo, el inicio de la inestabilidad puede predecirse bastante bien según las condiciones geométricas precisas y las propiedades del fluido. Sin embargo, hasta ahora nunca se ha demostrado que se puedan aplicar predicciones similares a los flujos de estiramiento.

Muchos procesos industriales, como extrusión, impresión por hilado de fibras y por inyección de tinta, implican el estiramiento de los flujos de fluidos viscoelásticos. Las inestabilidades de flujo generalmente tienen un efecto perjudicial sobre la calidad de los productos finales y, por lo tanto, limitan directamente las velocidades a las que se pueden llevar a cabo dichos procesos. La capacidad de predecir la aparición de inestabilidades en dichos flujos puede ayudar a optimizar las tasas de procesamiento y obtener productos finales superiores. Los resultados del estudio se publican en la revista Nature Publishing de acceso abierto. Informes científicos .

La Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos también estudia el flujo de 'polímeros vivos'. Como polímeros, estos materiales forman largas cadenas de múltiples unidades repetidas, pero a diferencia de los polímeros, estas unidades no están unidas químicamente, pero confía en otras fuerzas para la cohesión. Micelas parecidas a gusanos (WLM), un tipo de 'polímero vivo', forma larga, agregados en forma de varilla suspendidos en una solución. Al igual que con los polímeros, estos materiales tienen numerosas aplicaciones industriales, incluso como aditivos en champús y cosméticos y como materiales para mejorar la recuperación de petróleo y gas (EOR).

Las soluciones de WLM se bombean a la lutita durante el fracking para extraer más petróleo y gas de estas formaciones rocosas subterráneas. Las soluciones son inicialmente espesas y gelatinosas, lo que les permite generar altas presiones y fracturar la lutita. Sin embargo, cuando entran en contacto con los hidrocarburos, las micelas se desmontan permitiendo que la solución se comporte más como agua y fluya fácilmente fuera de la roca.

Estas formaciones de lutitas contienen muchas obstrucciones que alteran el flujo de soluciones en su interior. El profesor Shen decidió utilizar un modelo simplificado para estudiar el patrón de flujo de las soluciones WLM cuando hay un bloqueo. Dr. Ya Zhao, ex estudiante de posgrado del Prof. Shen en la Universidad de Washington, construyó un canal a microescala en el que podía observar el flujo de soluciones WLM alrededor de un cilindro que actuaba como una obstrucción en la trayectoria del flujo. Luego comparó los patrones de flujo de un fluido newtoniano y una solución WLM observando las rayas formadas por partículas trazadoras fluorescentes. También midió el crecimiento de tensiones en la solución WLM utilizando birrefringencia inducida por flujo.

Determinar cómo fluyen estos materiales es de vital importancia para optimizar sus aplicaciones. Estos materiales existen en una amplia variedad de productos y se explotan en muchos procesos industriales, haciendo de su optimización una prioridad para los fabricantes. Determinar su comportamiento de flujo es un paso más hacia el logro de todo el potencial de estos productos.