Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi vous devez secouer votre bouteille de ketchup ou de moutarde avant de verser ? Ou pourquoi, pour sortir des sables mouvants, tu dois avancer lentement ? Ou pourquoi vous pouvez courir à la surface d'une suspension de fécule de maïs dans l'eau, mais tu coulerais si tu essayais de marcher dessus ?

La caractéristique commune de toutes ces énigmes sont les fluides non newtoniens, dont les propriétés mécaniques changent en fonction du niveau et du type de force qui leur est appliquée. On les rencontre tout le temps dans la vie quotidienne, mais la plupart des gens ne savent pas à quel point ils peuvent être hautement techniques, avec des particules soigneusement formulées, polymères et autres additifs pour leur donner le comportement d'écoulement souhaité.

« Pour concevoir ces fluides, vous devez comprendre ces mêmes propriétés à la fois d'un point de vue applicatif et de traitement, " a déclaré Matthew Helgeson, professeur au département de génie chimique de l'UC Santa Barbara. "Par exemple, les condiments sont conçus pour être épais afin que vous puissiez les sortir de la bouteille et les étaler sur votre sandwich sans courir partout, mais en même temps, ils doivent pouvoir être mélangés et embouteillés rapidement lorsqu'ils sont fabriqués en usine."

Malgré leur utilisation omniprésente, ces fluides complexes et d'autres sont difficiles à concevoir car les relations entre le comportement microscopique et les propriétés d'écoulement sont difficiles à observer, dit Helgeson. Au niveau macroscopique, il est facile de voir comment le matériau réagit au stress, mais ce qui se passe structurellement lorsqu'il réagit à la force reste en quelque sorte un mystère.

Cependant, ce dilemme technique est sur le point de changer. En partenariat avec le fabricant autrichien d'instruments de laboratoire Anton Paar, Le laboratoire d'Helgeson a développé de nouvelles méthodes de mesure pour un rhéomètre de pointe qui permet non seulement aux chercheurs de caractériser le comportement mécanique des liquides non newtoniens et de la matière molle, mais aussi pour observer au niveau microscopique comment le fluide et les structures s'écoulent et se déforment en réponse au stress. Les connaissances générées par ce type d'instrumentation auront de larges applications dans la recherche académique et industrielle.

Un rhéomètre typique se compose généralement de deux surfaces mobiles, tels que les cylindres concentriques, qui tournent pour provoquer la déformation du fluide. En mesurant la force nécessaire pour faire tourner les cylindres, il est possible de déterminer les propriétés mécaniques du fluide. Il est généralement impossible de voir l'écoulement dans ces géométries, et donc on suppose que la quantité de déformation dans le fluide entre les surfaces est la même partout, comme c'est le cas pour un liquide newtonien comme l'eau.

Ce n'est pas le cas avec de nombreux fluides non newtoniens, selon Helgeson.

"Cela devient beaucoup plus compliqué, " a-t-il dit. " Typiquement, ce qui se passe, c'est que vous obtenez une petite région qui cède pour que ça coule, et tout le reste est simplement assis là ou se déplace très lentement." Plus de force n'équivaut pas toujours à plus de flux, il ajouta, jusqu'à ce que la région cédée se développe pour remplir le volume de fluide.

"Cette transition qui va de l'arrêt à l'écoulement est importante pour une large gamme de fluides complexes, " a déclaré Helgeson. Et les détails du flux dans ce processus, il expliqua, sont souvent inaccessibles aux rhéomètres, qui ne sont généralement sensibles qu'au fluide s'écoulant directement sur les surfaces.

"L'une des avancées de cette instrumentation que nous avons développée avec Anton Paar est la possibilité de visualiser directement ce qui se passe dans le flux, " a déclaré Helgeson. Avec l'aide de l'optique laser et des particules diffusant la lumière, les chercheurs pourront suivre la déformation du fluide et l'utiliser pour comprendre ce qui se passe dans la microstructure du fluide.

"Si vous voulez concevoir ces fluides, vous devez vraiment être capable de caractériser ce qui se passe dans le flux pour provoquer la réponse macroscopique que vous mesurez, " il a dit.

À mesure que les méthodes de fabrication et les matériaux deviennent plus sophistiqués, cette connaissance deviendra indispensable. Par exemple, pouvoir utiliser des types de matériaux nouveaux et différents pour les imprimantes 3D et la fabrication additive, les encres colloïdales et polymères utilisées doivent pouvoir s'écouler facilement à travers la buse tout en durcissant parfaitement pour obtenir la structure souhaitée.

Selon Helgeson, le partenariat avec Anton Paar est inhabituel dans la mesure où les chercheurs de l'UCSB participent à la création de nouvelles méthodes d'instrumentation et de mesure avant qu'elles ne soient disponibles sur le marché.

"Dans ce sens, le partenariat est vraiment une voie à double sens, " a-t-il déclaré. " Le nouveau rhéomètre nous offre des capacités de mesure de pointe, et en même temps, nous fournissons de nouveaux outils et analyses que d'autres membres de la communauté scientifique et industrielle peuvent utiliser."

Polymères, par exemple, tels que ceux utilisés dans les affichages, photovoltaïque organique et électronique flexible, besoin d'avoir des arrangements moléculaires et atomiques parfaits pour être efficace, les techniques de fabrication impliquant l'écoulement doivent donc être améliorées pour obtenir de meilleures performances et un coût inférieur.

« Vous faites subir à ces polymères toutes sortes d'extrusions, procédés d'injection et de revêtement, qui ont le potentiel de produire des défauts dans le matériau qui proviennent d'instabilités d'écoulement, " a déclaré Helgeson. Les nouveaux outils de rhéomètre que Helgeson et Anton Paar développent conjointement permettront une mesure plus directe de ces instabilités.

"C'est vraiment le but de ce partenariat et du nouvel instrument :être capable non seulement de proposer de nouvelles techniques, mais aussi stimuler leur utilisation et leur compréhension pour résoudre certains de ces problèmes, " il expliqua.