Que pintan detergente para lavavajillas, ketchup y sangre tienen en común? Todos están compuestos por partículas suspendidas en un líquido portador, fluir cuando se agita o se fuerza, pero permanecen espesos o incluso gelatinosos en reposo.

Ese comportamiento tan útil en los fluidos complejos se llama dilución por cizallamiento:su viscosidad disminuye durante el mezclado y aumenta en reposo. Pero ciertos fluidos cuando la velocidad de mezcla aumenta, como se requiere en muchos procesos industriales a gran escala, puede pasar a través de la región de adelgazamiento por cizallamiento y moverse a una región donde la viscosidad aumenta drásticamente, y estos fluidos se vuelven difíciles o imposibles de remover. Este efecto, conocido como engrosamiento por cizallamiento, ha sido objeto de investigación durante varias décadas a medida que los ingenieros buscaban resolver los complejos problemas de producción causados ​​por el fenómeno.

A finales de la década de 1980, El científico Richard L. Hoffman propuso un modelo simple:cuando los fluidos se mezclan a bajas velocidades, las partículas suspendidas forman capas ordenadas que pueden deslizarse fácilmente entre sí, facilitando el flujo. Pero cuando se expone a altas velocidades, las capas se desordenan y tropiezan unas con otras, obstaculizar el flujo; este cambio en el tipo de flujo se denomina "transición de orden a desorden". Es un poco como una multitud desordenada empujando y arrastrando los pies a través de una salida congestionada.

Otros investigadores pudieron observar este comportamiento en muchos fluidos, pero no en todos los fluidos espesantes por cizallamiento. Entonces, Los científicos propusieron varios otros modelos para explicar el fenómeno de engrosamiento por cizallamiento, pero ninguno aborda el modelo de Hoffman.

"Así que el enigma permanece, ¿Cómo se relaciona el orden al desorden de las partículas con el comportamiento de espesamiento por cizallamiento? ¿Por qué ocurre solo en ciertos fluidos complejos? ", Dijo Xiao-Min Lin, nanocientífico del Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Ahora, un equipo de nanocientíficos y físicos de Argonne ha desentrañado este misterio de 30 años mediante el estudio de un fluido espesante por cizallamiento con caracterización de rayos X in situ.

"Combinando un reómetro, que mide la viscosidad del líquido, con la caracterización de rayos X crea un instrumento único que puede comprender la estructura de las partículas cuando se mueven en tiempo real, "dijo Suresh Narayanan, otro científico principal del proyecto y físico del Grupo de Investigación de Tiempo Resuelto en la división de Ciencias de Rayos X de Argonne.

El equipo siempre ha sospechado que la uniformidad de las partículas podría influir en este fenómeno. Entonces Jonghun Lee, el becario posdoctoral líder en este proyecto, nanopartículas de sílice sintetizadas altamente uniformes de tres diámetros diferentes. Usando una técnica específica de dispersión de rayos X de ángulo pequeño ultrasensible (SAXS) en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) de Argonne, Lin, Narayanan y su equipo, ahora ampliado con otros miembros del Grupo de investigación de resolución temporal, midieron cómo fluían las nanopartículas en respuesta a una fuerza aplicada en tiempo real.

El esfuerzo del grupo fue recompensado. Las suspensiones altamente uniformes creadas por el equipo permitieron la separación de los dos fenómenos:transición de orden a desorden y espesamiento por cizallamiento normal. Hasta ahora, habían sido indistinguibles en otros experimentos. Los datos capturados in situ demostraron que la transición de orden a desorden descubierta en la década de 1980 ocurre en regiones de menor estrés y que el engrosamiento de cizallamiento constante ocurre en regiones de mayor estrés. En otras palabras, estos comportamientos son impulsados ​​por dos Mecanismos independientes.

"Pero cuando tienes partículas no uniformes, estos dos comportamientos colapsan en la misma región, haciéndolos indistinguibles, "Dijo Lee.

El equipo ahora busca comprender el mecanismo que realmente contribuye al engrosamiento por cizallamiento. Estos estudios podrían conducir a aplicaciones en impresión tridimensional, la industria química y el campo biomédico.

Este trabajo, titulado "Desentrañar el papel de la transición de orden a desorden en las suspensiones de espesamiento por cizallamiento, "se publicó en una edición de enero de Cartas de revisión física .