Una gota de aceite de silicona se extrae de fluidos con diferentes concentraciones de partículas de 140 µm:(A) es líquido puro, (B) tiene una concentración del 2 %, (C) tiene una concentración del 20 % y (D) tiene una concentración del 50 %. Crédito:Thiévenaz y Sauret
La miel ya es un líquido espeso, pero deja que comience a cristalizar y puede volverse francamente grumoso. Los cristales de azúcar en suspensión parecen aumentar su viscosidad. Este fenómeno ocurre en todo el mundo natural y construido:desde flujos de lodo hasta pintura, las suspensiones de partículas tienden a comportarse como fluidos viscosos.
Los ingenieros utilizan esto a su favor al modelar las propiedades macroscópicas de una suspensión en función del tamaño y la concentración de sus partículas. Sin embargo, esta aproximación se rompe en cierta escala. Virgile Thiévenaz y Alban Sauret de UC Santa Barbara intentaron determinar cuándo y cómo.
Descubrieron que las partículas no se distribuyen uniformemente una vez que la suspensión cae por debajo de una cierta escala de longitud, como cuando el líquido se contrae para formar el cuello de una gota. Eventualmente, habrá una región delgada sin partículas que se comporte como un líquido puro. Los hallazgos, publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences , resaltan el límite de las aproximaciones y tienen muchas aplicaciones potenciales en entornos industriales.
La viscosidad cuantifica la fricción interna entre las capas de un fluido. En un líquido viscoso, una capa ejerce más resistencia sobre su vecina, produciendo un fluido más espeso que es más resistente a la deformación y al flujo. Las partículas en suspensión se comportan de manera similar. Es más probable que una partícula se mueva cuando sus vecinas se mueven, lo que aumenta la viscosidad efectiva del fluido. Las concentraciones más altas acercan las partículas, fortaleciendo el efecto. "Mientras miras la suspensión desde lejos, es solo un líquido más viscoso", explicó Thiévenaz, investigador postdoctoral en el departamento de ingeniería mecánica.
En experimentos con gotas, Thiévenaz y Sauret observaron que las suspensiones se estiran como un líquido viscoso hasta cierto espesor, después de lo cual es posible separar las partículas entre sí. Esto crea regiones con concentraciones variables que se comportan de manera diferente. Eventualmente, una región no contendrá partículas y actuará como un fluido puro. Después de esto, la viscosidad efectiva se simplifica a la del líquido puro.
Los ingenieros han recopilado una gran cantidad de datos para calibrar la viscosidad efectiva de las suspensiones con tamaño de partícula y concentración a gran escala. El desafío de Thiévenaz y Sauret fue descubrir a qué escala comenzaron a desmoronarse las aproximaciones clásicamente utilizadas para modelar suspensiones.
Con más experimentación, los autores determinaron que este umbral también varía con el tamaño y la concentración de las partículas. Una suspensión pasará de actuar como un fluido viscoso a comportarse más como una mezcla heterogénea a escalas a la par del tamaño de las partículas.
Curiosamente, las partículas más pequeñas parecen tener un efecto proporcionalmente más fuerte. "En relación con el tamaño de las partículas, el umbral es mucho mayor para las partículas pequeñas en una concentración dada", dijo Sauret, profesor asistente de ingeniería mecánica.
Por ejemplo, una suspensión con una concentración del 30 % de partículas de 140 micrómetros puede comportarse suavemente hasta escalas de 600 µm, o aproximadamente cuatro veces el diámetro de las partículas. Pero una suspensión con partículas de 20 µm a la misma concentración puede mostrar este efecto hasta 250 µm:una escala más pequeña en general, pero más de 12 veces el diámetro de las partículas.
Predecir el comportamiento de una suspensión tiene importantes aplicaciones en la fabricación. Un proceso puede requerir la manipulación de películas o la creación de pequeñas gotas, y los técnicos deben poder predecir las propiedades de estos sistemas. Para las piezas recubiertas por inmersión, la manipulación adecuada de las partículas en una película puede ser la diferencia entre un producto terminado y un desastre absoluto, explicó Sauret.
El recubrimiento por pulverización proporciona una ilustración aún más clara de este fenómeno. Un líquido puro, como un barniz, se comportará de manera diferente a una suspensión, como una pintura, cuando se aplica un producto con un recubrimiento por pulverización. Cuando se compara con un líquido puro con la misma viscosidad efectiva, una suspensión se romperá antes con menos gotas y más grandes. La próxima tarea de los investigadores es determinar cómo la cantidad y el tamaño de las gotas dependen de parámetros como la velocidad, la concentración de partículas y el tamaño de las partículas.
Aproximar suspensiones como líquidos viscosos funciona bien, pero solo a ciertas escalas. "En algún momento eso va a fallar", dijo Sauret. "Y necesitamos poder decir, 'en este momento no puede usar este enfoque, y en su lugar necesita usar un método diferente'". + Explora más
