Un fluide de contrainte d'élasticité de type gel, Haut, se déplace comme un bouchon sans cisaillement dans un tube avec le nouveau revêtement de surface. En bas, on voit le même fluide se cisailler alors qu'il s'écoule dans un tube non revêtu, où une partie du fluide se coince dans le tube tandis qu'une partie continue de s'écouler. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Une équipe de recherche du MIT qui a déjà vaincu le problème de l'extraction du ketchup de sa bouteille s'attaque désormais à une nouvelle catégorie de malheurs pour les consommateurs et les fabricants :comment faire glisser des matériaux beaucoup plus épais sans coller ni se déformer.
Les revêtements glissants que l'équipe a développés, appelées surfaces imprégnées de liquide, pourrait avoir de nombreux avantages, y compris l'élimination des déchets de production résultant du matériau qui colle à l'intérieur de l'équipement de traitement. Ils pourraient également améliorer la qualité des produits allant du pain aux produits pharmaceutiques, et même améliorer l'efficacité des batteries à flux, une technologie en développement rapide qui pourrait aider à favoriser les énergies renouvelables en fournissant un stockage peu coûteux pour l'électricité produite.
Ces surfaces reposent sur des principes initialement développés pour aider les aliments, produits de beauté, et d'autres liquides visqueux glissent hors de leurs récipients, tel que conçu par Kripa Varanasi, professeur de génie mécanique au MIT, avec d'anciens étudiants Leonid Rapoport Ph.D. '18 et Brian Solomon Ph.D. '16. Le nouveau travail est décrit dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS .
Comme les surfaces antérieures qu'ils ont développées, qui a conduit à la création d'une entreprise dérivée appelée LiquiGlide, les nouvelles surfaces sont basées sur une combinaison d'une surface spécialement texturée et d'un lubrifiant liquide qui recouvre la surface et reste emprisonné en place par l'action capillaire et d'autres forces intermoléculaires associées à de telles interfaces. Le nouveau document explique les principes de conception fondamentaux qui peuvent atteindre une réduction de friction de près de 100 pour cent pour ces fluides de type gel.
Besoin d'une pression
De tels matériaux, connu sous le nom de fluides à contrainte de rendement, y compris les gels et les pâtes, sont omniprésents. Ils peuvent être trouvés dans des produits de consommation tels que les aliments, assaisonnement, et cosmétiques, et dans les produits des industries énergétiques et pharmaceutiques. Contrairement à d'autres fluides tels que l'eau et les huiles, ces matériaux ne commenceront pas à couler d'eux-mêmes, même lorsque leur contenant est renversé. Le démarrage du flux nécessite un apport d'énergie, telles que presser le récipient.
Mais cette compression a ses propres effets. Par exemple, les machines de panification comprennent généralement des grattoirs qui repoussent constamment la pâte collante des côtés de son récipient, mais ce grattage constant peut entraîner un pétrissage excessif et un pain plus dense. Un récipient glissant qui ne nécessite aucun raclage pourrait ainsi produire un pain plus savoureux, dit Varanasi. En utilisant ce système, "au-delà de tout sortir du conteneur, vous ajoutez maintenant une meilleure qualité" du produit résultant.
Cela peut ne pas être critique en ce qui concerne le pain, mais cela peut avoir un grand impact sur les produits pharmaceutiques, il dit. L'utilisation de grattoirs mécaniques pour propulser les matériaux médicamenteux à travers les réservoirs de mélange et les tuyaux peut interférer avec l'efficacité du médicament, car les forces de cisaillement impliquées peuvent endommager les protéines et autres composés actifs du médicament.
En utilisant les nouveaux revêtements, dans certains cas, il est possible d'obtenir une réduction de 100 % de la traînée subie par le matériau, ce qui équivaut à un « glissement infini, " dit Varanasi.
Lorsqu'un fluide de contrainte d'écoulement, un matériau de type gel, coule dans un simple tube de verre, il se colle aux parois et subit une contrainte de cisaillement. Cependant, un tube recouvert d'un revêtement glissant permet au fluide de se déplacer comme un bouchon sans cisaillement et sans bavure sur le tube. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
« De manière générale, les surfaces sont des facilitateurs, " dit Rapoport. " Surfaces superhydrophobes, par exemple, permettre à l'eau de rouler facilement, mais tous les fluides ne peuvent pas rouler. Nos surfaces permettent aux fluides de se déplacer de la manière qui leur convient le mieux, que ce soit en roulant ou en glissant. De plus, nous avons constaté que les fluides à limite d'élasticité peuvent se déplacer sur nos surfaces sans cisaillement, glissant essentiellement comme des corps solides. Ceci est très important lorsque vous souhaitez maintenir l'intégrité de ces matériaux lors de leur traitement."
Comme la version précédente des surfaces glissantes créées par Varanasi et ses collaborateurs, le nouveau processus commence par fabriquer une surface texturée à l'échelle nanométrique, soit en gravant une série de piliers ou de murs rapprochés en surface, ou meulage mécanique de rainures ou de creux. La texture résultante est conçue pour avoir des caractéristiques si minuscules que l'action capillaire - le même processus qui permet aux arbres d'aspirer de l'eau jusqu'à leurs branches les plus hautes à travers de minuscules ouvertures sous l'écorce - peut agir pour retenir un liquide, comme une huile lubrifiante, en place en surface. Par conséquent, tout matériau à l'intérieur d'un récipient avec ce type de revêtement n'entre essentiellement en contact qu'avec le liquide lubrifiant, et glisse tout de suite au lieu de coller à la paroi solide du conteneur.
Les nouveaux travaux décrits dans cet article détaillent les principes mis au point par les chercheurs pour permettre la sélection optimale de la texturation de surface, matière lubrifiante, et processus de fabrication pour toute application spécifique avec sa combinaison particulière de matériaux.
Aider les batteries à couler
Une autre application importante pour les nouveaux revêtements réside dans une technologie en développement rapide appelée batteries à flux. Dans ces batteries, les électrodes solides sont remplacées par une suspension de minuscules particules en suspension dans un liquide, ce qui a l'avantage que la capacité de la batterie peut être augmentée à tout moment simplement en ajoutant des réservoirs plus grands. Mais l'efficacité de telles batteries peut être limitée par les débits.
L'utilisation des nouveaux revêtements glissants pourrait augmenter considérablement l'efficacité globale de ces batteries, et Varanasi ont travaillé avec les professeurs du MIT Gareth McKinley et Yet-Ming Chiang sur le développement d'un tel système dirigé par Solomon et Xinwei Chen, un ancien post-doctorant dans le laboratoire de Chiang.
Ces revêtements pourraient résoudre une énigme à laquelle les concepteurs de batteries à flux ont été confrontés, parce qu'ils avaient besoin d'ajouter du carbone au matériau en suspension pour améliorer sa conductivité électrique, mais le carbone a également rendu le lisier beaucoup plus épais et a gêné son mouvement, conduisant à "une batterie de flux qui ne pouvait pas couler, " dit Varanasi.
"Auparavant, les batteries à flux avaient un compromis en ce sens que lorsque vous ajoutez plus de particules de carbone, la suspension devient plus conductrice, mais il devient également plus épais et beaucoup plus difficile à couler, " dit Salomon. " L'utilisation de surfaces glissantes nous permet d'avoir le meilleur des deux mondes en permettant l'écoulement de matériaux épais, boues à contrainte de rendement."
Le système amélioré a permis l'utilisation d'une formulation d'électrode à flux qui a permis de quadrupler la capacité et d'économiser 86 % de puissance mécanique, par rapport à l'utilisation de surfaces traditionnelles. Ces résultats ont été décrits récemment dans la revue ACS Matériaux énergétiques appliqués .
"Outre la fabrication d'un dispositif de batterie à flux qui incorpore les surfaces glissantes, nous avons également défini des critères de conception pour leur électrochimie, chimique, et stabilité thermodynamique, " explique Solomon. " L'ingénierie des surfaces pour une batterie à flux ouvre une toute nouvelle branche d'applications qui peuvent aider à répondre à la future demande de stockage d'énergie. "
