Tres fotogramas consecutivos de la cámara de alta velocidad mientras el aire entra en la suspensión de almidón de maíz. El engrosamiento por cizallamiento abrupto hace que se fracture como un sólido. La suspensión se "derrite" de nuevo a un líquido una vez que ha pasado el frente de fractura. Crédito:IMPACTO, Universidad de Swansea
Los investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Swansea han capturado los momentos en que un fluido reacciona como un sólido a través de un nuevo método de observación de fluidos en condiciones presurizadas.
La investigación proviene del Complex Flow Lab, con sede en el Instituto de Materiales Innovadores, Procesamiento y Tecnologías Numéricas (IMPACT). El laboratorio estudia los intrincados patrones de flujo que a menudo se desarrollan en materiales granulares, medios porosos, y fluidos complejos como espumas, geles y pastas.
Este último estudio analiza los fluidos que tienen una respuesta sólida al estrés, un fenómeno llamado espesamiento por cizallamiento discontinuo (DST). Esto es cuando el líquido (en este caso, una mezcla de almidón de maíz) se espesa abruptamente y se solidifica cuando se agita.
Las pruebas involucraron un nuevo método de observación que involucra una cámara de alta velocidad con resultados que ofrecen un enfoque innovador para futuras prácticas de ingeniería.
El autor de la investigación, el Dr. Deren Ozturk, quien recientemente completó su Ph.D. en esta área, comentarios:
"Nuestros hallazgos son de particular interés para el floreciente campo de investigación del DST, ya que es una indicación visual novedosa del comportamiento del DST que podría usarse para calibrar futuros modelos teóricos. El fenómeno DST se está investigando para aplicaciones de ingeniería únicas, como armaduras blandas, topes de velocidad "inteligentes", y producción de alimentos.
Tres patrones de flujo:Izquierda:"Dedos viscosos" redondeados en forma de líquido a baja concentración y baja tasa de inyección. Medio:fracturas en forma de árbol cuando la suspensión se espesa de forma reversible en un sólido. Derecha:Grandes fracturas cuando la suspensión es tan densa que se atasca completamente cuando se inyecta el aire. Crédito:IMPACTO, Universidad de Swansea
El equipo de investigación utilizó almidón de maíz común de cocina mezclado con agua. A continuación, se coloca en una celda estrecha; El aire presurizado se libera en el fluido de almidón de maíz y agua y lo atraviesa.
La forma en que escapa el aire se filma usando una cámara de alta velocidad para visualizar patrones de invasión, que se presentan como dedos fluidos o fracturas sólidas dependiendo de la concentración de almidón de maíz y la presión en el aire ".
El Dr. Ozturk continúa:
"Usamos almidón de maíz (como un sistema modelo para la clase más amplia de materiales de espesamiento por cizallamiento) ya que es conveniente, ampliamente disponible y muestra una espectacular respuesta de espesamiento al cizallamiento. Como este tipo de experimento de invasión (con el que tenemos mucha experiencia) no se había realizado previamente en un fluido DST, nuestro principal objetivo era probarlos con la esperanza de ver algo interesante.
Nuestra hipótesis principal era que el fluido se "fracturaría" como un sólido si se le aplicara suficiente tensión. Esto sería una gran cosa para ver, ya que un fluido debe exhibir patrones de dedos anchos. Éramos, por lo tanto, Encantado de ver una respuesta de fracturación estrecha, ya que esto significaba que habíamos desarrollado un nuevo tipo de experimento para probar las condiciones para las que se observa DST ".
Coautor Dr. Bjornar Sandnes, jefe del Laboratorio de Flujo Complejo, comentarios:
"Lo que es particularmente interesante sobre el almidón de maíz estudiado aquí es que la fricción se puede activar o desactivar como un interruptor.
Cuando solo se le molesta suavemente, los granos se repelen entre sí y como no están en contacto no hay fricción y el material fluye como un líquido.
Sin embargo, molestarlo con más fuerza, y los granos entran en contacto de manera que la fricción impide que los granos se deslicen libremente. Entonces, el material se comporta más como un sólido, y es entonces cuando observamos fracturas en nuestros experimentos ".
El artículo se publica en Física de las comunicaciones .
