Lucio Isa y su equipo de investigadores han explicado cómo las características superficiales de las microesferas afectan los rápidos incrementos en la viscosidad de las suspensiones, sentando así las bases para aplicaciones tales como cemento fluido.

Internet está lleno de videos de personas que se divierten corriendo sobre limo blanco. Casi parece como si estuvieran caminando sobre el agua. Pero cuando se quedan quietos lentamente comienzan a hundirse. El lodo en cuestión suele ser una suspensión concentrada que comprende almidón de maíz y agua. Aunque coloquialmente conocido como "oobleck" por el libro para niños del Dr. Seuss, Los científicos de materiales utilizan el término "fluido no newtoniano". En contraste con un fluido "normal" (newtoniano), Los fluidos no newtonianos pueden volverse más viscosos cuando actúan sobre ellos fuerza que cambia rápidamente. Por un breve momento el material se comporta como un sólido. Sin embargo, si la fuerza es constante y débil, el material fluye como un líquido normal.

"Este fenómeno aparece en todas las suspensiones con alta densidad de partículas, como el cemento, "dice Lucio Isa, Profesor de Interfaces, Materia blanda y montaje en ETH Zurich. Si se bombea cemento a través de una tubería en un sitio de construcción demasiado rápido, la tubería se obstruirá.

Mayor fricción debido a superficies rugosas

Esto se debe en parte a las características superficiales de las partículas sólidas en la suspensión. "Si se aplica una fuerza de repente, las partículas sólidas no pueden apartarse lo suficientemente rápido. En lugar de, entran en contacto, frotándose y bloqueándose ", Explica Isa. Cuanto más rugosa sea la superficie de las partículas, cuanto mayor sea la fricción.

Los investigadores utilizan estas propiedades para controlar el aumento repentino de la viscosidad en una suspensión densa de manera específica. En lugar de maicena, Isa y sus compañeros "jugaron" con uniforme, partículas de silicato de tamaño micrométrico con una superficie rugosa. Las partículas parecen pequeñas frambuesas y los investigadores ya las habían utilizado en estudios anteriores. Chiao-Peng Hsu, un estudiante de doctorado que trabaja con Isa y el profesor de ETH Nicholas Spencer, ha desarrollado un método que le permite generar rápidamente una biblioteca de estas partículas con forma de frambuesa con diferentes rugosidades superficiales.

Mayor viscosidad a pesar de menos partículas

Los investigadores utilizaron estas partículas para crear suspensiones que podrían probar para detectar aumentos repentinos de viscosidad bajo estrés. Los resultados mostraron que cuanto más ásperas son las partículas, menos tuvieron que añadirse a la suspensión para lograr una solidificación repentina. A diferencia de, si se usaran partículas suaves, se tuvo que agregar una cantidad mayor a la suspensión antes de que los investigadores pudieran observar el espesamiento repentino.

Los investigadores demostraron que el uso de partículas rugosas podría ahorrar material:su porción del volumen total en una suspensión puede ser sustancialmente menor para generar el mismo efecto.

Cuando los investigadores mezclaron partículas rugosas y lisas en una sola suspensión, la solidificación también se produjo antes que en las suspensiones con partículas exclusivamente lisas. Los investigadores de ETH descubrieron que tan solo un 6 por ciento de partículas suaves en una mezcla era suficiente para reducir significativamente el aumento de viscosidad. "Es como mezclar rodamientos de bolas y ruedas dentadas, "dice Isa." Las ruedas dentadas se enlazan entre sí con relativa facilidad para crear una cadena estable, pero los rodamientos de bolas rompen fácilmente esas cadenas y permiten el flujo ".

Para investigar la fricción entre partículas individuales, Hsu y su colega Shivaprakash Ramakrishna adjuntaron un sencillo, partícula de medio micrómetro en un voladizo de un microscopio de fuerza atómica. Luego, los investigadores movieron la partícula a través de varias superficies rugosas del modelo moviendo el voladizo unos cientos de nanómetros mientras medían el ángulo de inclinación. Cuanto más fuerte es la fricción, cuanto mayor sea el ángulo. "Trabajar con este tipo de partículas en un voladizo fue extremadamente difícil, dado que las dimensiones son increíblemente pequeñas, "enfatiza Hsu." Fuimos el primer grupo en lograr esto ".

Aplicaciones en chalecos antibalas

Queda por ver si los resultados se integrarán en aplicaciones de la vida real. El estudio es principalmente investigación pura. "Nuestro objetivo era investigar las formas en que podemos cambiar las nanoestructuras y las microestructuras para influir en el comportamiento de los materiales a nivel macroscópico, y lo logramos, "dice Isa. Los hallazgos podrían usarse en aplicaciones cotidianas como el cemento". Al ajustar las superficies de los gránulos y mezclarlos con cemento de una manera similar a nuestro experimento, se podrían optimizar las características de flujo del cemento ".

Pero las suspensiones viscosas con propiedades de solidificación abrupta también se utilizan para otros fines; por ejemplo, un fabricante estadounidense utiliza suspensiones viscosas para desarrollar chalecos de seguridad a prueba de balas y puñaladas. "Nuestro estudio puede ayudar a mejorar este tipo de aplicaciones, "dice Isa.