Si mezclas maicena y agua en las proporciones correctas, obtienes algo que no parece del todo líquido pero tampoco del todo sólido. El oobleck fluye y se asienta como un líquido cuando no se toca, pero se endurece cuando intentas levantarlo o revolverlo con una cuchara. Las propiedades del oobleck y otros fluidos no newtonianos, incluidos Silly Putty, arenas movedizas, pintura y yogur, cambian bajo estrés o presión, y los científicos han luchado durante mucho tiempo para demostrar exactamente por qué.
Ahora, investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han utilizado nanopartículas piezoeléctricas, que a su vez cambian en respuesta a la presión, para investigar la física fundamental de los fluidos no newtonianos. El equipo descubrió un papel clave de la fricción entre partículas a la hora de hacer que los materiales pasen de una estructura fluida a una estructura más sólida.
"Esto no sólo responde a preguntas básicas de larga data sobre los orígenes físicos de estos materiales, sino que abre las puertas al diseño de nuevos fluidos no newtonianos con aplicaciones prácticas", dijo Stuart Rowan, profesor Barry L. MacLean de ingeniería molecular y compañero. -autor principal del artículo, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences .
Entre esas posibles aplicaciones se encuentran pintura que no se aglutina, líquidos que se endurecen formando un molde cuando se agitan y equipos de protección portátiles que se endurecen cuando se golpean.
Una característica distintiva de los fluidos no newtonianos es que su viscosidad (cuán espesos son) cambia dramáticamente cuando los materiales están bajo tensión. Para algunos materiales, esto significa adelgazar con tensión. Agitar una botella de ketchup puede hacer que el condimento sea mucho más vertible; El yogur, la mayonesa y la pasta de dientes mantienen su forma en un recipiente pero se vuelven más líquidos con el uso.
Pero otros materiales como oobleck, que es una suspensión concentrada de partículas, se comportan justo lo contrario:puede parecer sólido mientras se manipula, pero colapsa formando un charco cuando se coloca.
Los científicos han formulado hipótesis sobre por qué las suspensiones de partículas concentradas cambian cuando se cortan, al quedar expuestas a múltiples fuerzas que actúan en diferentes direcciones. Estas hipótesis se relacionan principalmente con cómo las moléculas y partículas que componen los materiales pueden interactuar entre sí de diferentes maneras en diferentes condiciones, pero cada hipótesis es difícil de probar.
"Para comprender estas suspensiones de partículas concentradas, queremos poder observar la estructura a nanoescala, pero las partículas están tan increíblemente apiñadas que es muy difícil obtener imágenes de estas estructuras", explicó el investigador postdoctoral Hojin Kim, primer autor del nuevo artículo. .
Para superar este desafío, Kim colaboró con Rowan, Aaron Esser-Kahn, también profesor del PME y experto en piezoquímica, y Heinrich Jaeger, profesor de física con servicio distinguido de Sewell Avery. El equipo desarrolló una técnica que mide el cambio en la conductancia eléctrica en función de la fuerza de corte ejercida sobre ella. Luego, suspendieron la nanopartícula en un líquido a una concentración tal que exhibiera propiedades no newtonianas de la misma manera que el oobleck.
Los investigadores aplicaron fuerza de corte en la parte superior e inferior del líquido y midieron simultáneamente los cambios resultantes tanto en la viscosidad como en las señales eléctricas. Eso les permitió determinar cómo interactuaban las partículas a medida que cambiaban de un material más líquido a un material más sólido.
"Descubrimos que la fricción entre partículas era fundamental para esta transición", dijo Kim. "En esta solución concentrada de partículas, hay un punto de inflexión cuando la fricción alcanza un cierto nivel y la viscosidad aumenta abruptamente".
Comprender las fuerzas físicas que intervienen en una solución concentrada de partículas es un paso para poder diseñar nuevos fluidos no newtonianos en el laboratorio. Algún día, estos materiales diseñados podrían tener propiedades personalizadas que permitan a los científicos controlar su viscosidad a través del estrés. En algunos casos, esto podría traducirse en una menor acumulación y obstrucción de líquidos como pintura y concreto. En otros casos, podría significar un endurecimiento intencionado de los materiales cuando se desee.
"Para cualquier aplicación, esperamos poder determinar eventualmente la combinación ideal de solventes y partículas y condiciones de corte para obtener las propiedades que queremos", dijo Kim. "Este artículo puede parecer una investigación muy fundamental, pero en realidad, los fluidos no newtonianos están en todas partes, por lo que tiene muchas aplicaciones".
Por ahora, los investigadores de Pritzker Molecular Engineering y UChicago planean aprovechar la actividad piezoeléctrica inducida por estrés de sus suspensiones de nanopartículas para diseñar nuevos materiales adaptables y receptivos que, por ejemplo, se vuelvan más rígidos bajo fuerza mecánica.
Más información: Hojin Kim et al, Fricción activada por tensión en suspensiones cortadas sondadas con nanopartículas piezoeléctricas, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2310088120
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de Chicago
