Le dentifrice a un travail difficile. Non seulement il doit remplir des fonctions essentielles comme nettoyer les résidus de café de vos blancs nacrés, mais il doit également rester dans le tube, sortir en douceur sous la pression et s'équilibrer sur un tas de poils sans couler partout dans le lavabo de la salle de bain.
Et chaque utilisateur, où qu'il soit, apprécie que tout excès de pâte extrudé, mais non nécessaire sur la brosse à dents, glisse sans problème dans le tube.
Ceci est un exemple de suspension élastoplastique thixotropique composée de nombreuses particules différentes. Maintenant, c'est une bouchée.
Selon Norman Wagner, titulaire de la chaire Unidel Robert L. Pigford en génie chimique et biomoléculaire à l'Université du Delaware, ces types de suspensions se retrouvent dans tout, des lotions aux encres d'impression 3D en passant par les matériaux de construction d'articles, notamment les pneus en caoutchouc, l'argile, ciments et plus encore.
Beaucoup de ces matériaux sont fabriqués par le biais d’expérimentations, d’essais et d’erreurs. Le matériau de vos pneus n'a pas suffisamment d'absorption des chocs ? Mélangez un nouveau lot de particules pour réduire le rebond.
Wagner et une équipe de chercheurs de l'UD se sont demandés s'il existait un moyen de partir d'une image fondamentale des particules et de leurs interactions à l'avant, qui pourrait être contrôlée par la chimie, pour développer un produit final doté des propriétés matérielles souhaitées.
Le résultat est un modèle fondamental avec des applications pour comprendre une variété de matériaux, y compris le flux sanguin humain, les produits de consommation comme les plastiques, ou les dispersions de noir de carbone et de silice trouvées dans les produits industriels destinés à la fabrication de pneus et de semi-conducteurs.
L'approche de l'équipe de recherche a récemment fait la couverture du AIChE Journal .
Alors que les ingénieurs de tout le pays convergent à Orlando, en Floride, cette semaine pour la réunion annuelle 2023 de l'AIChE, qui s'est tenue du 5 au 10 novembre, UDaily a discuté du travail avec Wagner.
Wagner :Des éléments comme le dentifrice, les ciments, les géopolymères, voire même les produits ménagers courants comme votre bouteille de détergent à lessive en plastique, sont composés de nombreuses particules qui se combinent ou se désagrègent dans différentes conditions. Le dentifrice contient des particules qui nettoient, rafraîchissent l'haleine et assurent la mousse du dentifrice. Les particules de plastique comme une bouteille de détergent à lessive donnent sa couleur à la bouteille.
Cet article aborde une nouvelle approche que nous avons développée dans notre groupe pour partir d'une image fondamentale des particules et de leurs interactions pour relier les points entre la structure du matériau, comment cela est affecté par le flux de traitement et comment cela conduit à un résultat final. propriétés du matériau.
En théorie, cela nous permettrait de commencer par une description fondamentale, que vous pouvez contrôler grâce à la chimie, puis de développer un produit final qui vous donne les propriétés matérielles souhaitées. Le modèle est basé sur la modélisation de l’équilibre de la population, un outil très puissant utilisé en génie chimique ainsi que dans d’autres disciplines. Par exemple, mon groupe de recherche a utilisé cet outil pendant la pandémie pour modéliser la manière dont le comportement pourrait influencer la transmission du coronavirus (COVID-19) dans la communauté UD.
Wagner :Cela pourrait être de garantir que le dentifrice reste sur la brosse à dents ou que le ketchup reste sur le hot-dog sans faire de dégâts. C'est trivial. Mais prenons un panneau solaire, dont les connexions sont réalisées à l’aide de particules d’argent contenues dans une pâte. Ici, vous souhaitez essentiellement sérigraphier une suspension de particules d'argent, puis fusionner ces particules d'argent pour fabriquer les fils. Maintenant, si vous pouvez améliorer cela, vous fabriquerez des panneaux solaires qui durent plus longtemps, mais ce fil recouvre également certains des panneaux qui pourraient collecter l'énergie solaire.
Ainsi, une application possible où ce type de modélisation est très important sont les processus industriels comme l'impression, car si nous pouvons rendre les fils meilleurs, plus étroits ou plus uniformes, en comprenant comment mieux formuler la pâte pour obtenir l'impression souhaitée, nous pourrions être capable d'améliorer l'efficacité d'un panneau solaire de quelques pour cent. Multipliez ces quelques pour cent par un nombre infini de panneaux solaires, et vous obtenez un grand nombre.
Ainsi, lorsque vous voulez de meilleurs produits, des plastiques plus résistants, de meilleurs équipements automobiles, la possibilité d'imprimer en 3D des systèmes remplis comme la céramique, les métaux ou le ciment, vous avez besoin d'un meilleur contrôle du comportement d'écoulement et des propriétés finales du matériau.
Wagner :Le flux sanguin est intéressant. Les cellules sanguines sont des particules. Dans votre corps, les globules rouges se rassemblent et s’empilent comme des pièces de monnaie. Ces piles forment des agrégats de particules qui sont importantes pour la façon dont le sang circule dans le corps, votre cœur et vos artères, par exemple.
Nous avons besoin que les cellules sanguines s'agrègent pour des choses comme la coagulation, mais nous ne voulons pas qu'elles s'agrègent au mauvais endroit au mauvais moment. Il est donc important de modéliser cela correctement pour les cas d'utilisation, tels que les appareils de soins de santé ou d'autres applications.
Q : Pourquoi est-ce si important que votre travail figure sur la couverture du AIChE Journal ?
Wagner :Pour le génie chimique, c'est la revue phare de notre discipline. C'est spécial. C'est une approche fondamentalement nouvelle. Les gens modélisent l’équilibre de la population et modélisent ces types de fluides de manière empirique depuis longtemps. Mais les gens n'ont pas vraiment fait le lien de manière à constituer une base pour des travaux ultérieurs.
Nous avons fait la théorie. Nous disposons des données expérimentales qui ont permis de valider cette science fondamentale, et il existe des applications claires à de nombreux problèmes industriels pour lesquels il pourrait être intéressant d'essayer cette approche.
Wagner :Il est intéressant de penser aux personnes impliquées, en particulier aux étudiants et à l'endroit où ils se sont retrouvés après ce travail. Par exemple, Soham Jarawal, qui a réalisé le travail de modélisation et a basé sa thèse de doctorat sur ce projet, est désormais à W.L. Gore fait une modélisation du flux sanguin. Julie Hipp, une ancienne étudiante diplômée, a réalisé des travaux primés sur la diffusion des neutrons pour mesurer la distribution et la taille des particules sous écoulement dans du noir de carbone, ce qui a permis de valider cette nouvelle théorie. Aujourd'hui, elle travaille chez Procter and Gamble. Ensuite, il y a Rong Song, qui a passé du temps à travailler avec Chemours sur la technologie des particules de dioxyde de titane tout en complétant sa maîtrise à l'UD.
Ce travail est un bel exemple de la façon dont différentes expertises et collaborations s'unissent pour créer quelque chose de fondamental qui peut être utilisé pour améliorer les matériaux que l'on trouve partout, des soins de santé à l'industrie en passant par les produits et processus de consommation. C'est également un aperçu de la manière dont ces collaborateurs utilisent ce qu'ils ont appris, leur formation et leurs expériences, et évoluent dans de nouvelles directions en dehors de l'UD.
Plus d'informations : Soham Jariwala et al, Un modèle polydispersé pour les suspensions élasto-viscoplastiques thixotropes de particules agrégées à l'aide de bilans de population, AIChE Journal (2023). DOI :10.1002/aic.18184
Fourni par l'Université du Delaware
