¿Alguna vez se preguntó por qué tiene que agitar su botella de salsa de tomate o mostaza antes de servir? O por qué, para salir de arenas movedizas, debes moverte despacio? O por qué puedes correr sobre la superficie de una suspensión de maicena en agua, ¿Pero te hundirías si intentaras caminar sobre él?

La característica común de todos estos acertijos son los fluidos no newtonianos, cuyas propiedades mecánicas cambian según el nivel y el tipo de fuerza que se les aplique. Se encuentran todo el tiempo en la vida diaria, pero la mayoría de la gente no sabe cuán altamente diseñados pueden ser, con partículas cuidadosamente formuladas, polímeros y otros aditivos para darles el comportamiento de flujo deseado.

"Para diseñar estos fluidos, debe comprender estas mismas propiedades tanto desde el punto de vista de la aplicación como del procesamiento, "dijo Matthew Helgeson, profesor del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de California en Santa Bárbara. "Por ejemplo, Los condimentos están diseñados para ser espesos para que puedas sacarlos de la botella y esparcirlos en tu sándwich sin que se corran por todos lados. pero al mismo tiempo deben poder mezclarse y embotellarse rápidamente cuando se fabrican en la fábrica ".

A pesar de su uso omnipresente, Estos y otros fluidos complejos son difíciles de diseñar porque las relaciones entre el comportamiento microscópico y las propiedades de flujo son difíciles de observar. dijo Helgeson. A nivel macroscópico, es fácil ver cómo responde el material a la tensión, pero lo que sucede estructuralmente cuando reacciona a la fuerza sigue siendo un misterio.

Sin embargo, ese dilema de la ingeniería está a punto de cambiar. En asociación con el fabricante de instrumentación de laboratorio con sede en Austria Anton Paar, El laboratorio de Helgeson ha desarrollado nuevos métodos de medición para un reómetro de última generación que no solo permite a los investigadores caracterizar el comportamiento mecánico de líquidos no newtonianos y materia blanda, pero también para presenciar a nivel microscópico cómo el fluido y las estructuras fluyen y se deforman en respuesta al estrés. El conocimiento generado por este tipo de instrumentación tendrá amplias aplicaciones en la investigación académica e industrial.

Un reómetro típico generalmente consta de dos superficies móviles, como cilindros concéntricos, que giran para hacer que el fluido se deforme. Midiendo la fuerza requerida para rotar los cilindros, es posible determinar las propiedades mecánicas del fluido. Por lo general, es imposible ver el flujo en estas geometrías, y entonces se supone que la cantidad de deformación en el fluido entre las superficies es la misma en todas partes, como es el caso de un líquido newtoniano como el agua.

No es así con muchos fluidos no newtonianos, según Helgeson.

"Se vuelve mucho más complicado, ", dijo." Por lo general, lo que sucede es que obtienes una pequeña región que cede para que fluya, y todo lo demás es simplemente sentarse allí o moverse muy lentamente ". Más fuerza no siempre equivale a más flujo, él agregó, hasta que la región cedida crece para llenar el volumen de líquido.

"Esta transición que va de no fluir a fluir es importante para una amplia gama de fluidos complejos, ", dijo Helgeson. Y los detalles del flujo en este proceso, él explicó, son a menudo inaccesibles para los reómetros, que normalmente solo son sensibles al fluido que fluye directamente en las superficies.

"Uno de los avances de esta instrumentación que hemos desarrollado con Anton Paar es la capacidad de visualizar directamente lo que sucede en el flujo, "Dijo Helgeson. Con la ayuda de la óptica láser y las partículas que dispersan la luz, los investigadores podrán rastrear la deformación del fluido y usarla para comprender lo que está sucediendo en la microestructura del fluido.

"Si desea diseñar estos fluidos, realmente necesita poder caracterizar lo que está sucediendo en el flujo para causar la respuesta macroscópica que mide, " él dijo.

A medida que los métodos y materiales de fabricación se vuelven más sofisticados, este conocimiento se volverá esencial. Por ejemplo, poder utilizar nuevos y diferentes tipos de materiales para impresoras 3D y fabricación aditiva, Las tintas coloidales y poliméricas utilizadas deben poder fluir a través de la boquilla con facilidad y, sin embargo, endurecerse sin problemas para lograr la estructura deseada.

Según Helgeson, la asociación con Anton Paar es inusual en el sentido de que los investigadores de UCSB están participando en la creación de nuevos métodos de medición e instrumentación antes de que estén disponibles comercialmente.

"En ese sentido, la asociación es realmente una calle de dos vías, ", dijo." El nuevo reómetro nos proporciona capacidades de medición de última generación, y al mismo tiempo proporcionamos nuevas herramientas y análisis que pueden utilizar otros miembros de la comunidad científica e industrial ".

Polímeros por ejemplo, como los que se utilizan en las pantallas, fotovoltaica orgánica y electrónica flexible, necesitan tener arreglos moleculares y atómicos perfectos para ser efectivos, por lo tanto, las técnicas de fabricación que involucran flujo deben mejorarse para lograr un mejor rendimiento y un menor costo.

"Pones estos polímeros a través de todo tipo de extrusión, procesos de inyección y recubrimiento, que tienen el potencial de producir defectos en el material que provienen de inestabilidades de flujo, "Dijo Helgeson. Las nuevas herramientas de reómetro que Helgeson y Anton Paar están desarrollando conjuntamente permitirán una medición más directa de estas inestabilidades.

"Eso es realmente de lo que se trata esta asociación y el nuevo instrumento:poder no solo crear nuevas técnicas, sino que también impulsa su uso y comprensión para resolver algunos de estos problemas, " él explicó.