Xiao-Min Lin, nanoscientifique d'Argonne, travaille avec le dispositif à cellules de cisaillement qui a permis la nouvelle découverte des fluides épaississants par cisaillement. La cellule en polycarbonate contient la suspension de nanoparticules et la réponse mécanique du fluide est mesurée par le transducteur dans le rhéomètre ci-dessus. Le faisceau de rayons X est focalisé sur l'échantillon de gauche. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Qu'est-ce que la peinture, détergent lave-vaisselle, le ketchup et le sang ont-ils en commun ? Tous sont composés de particules en suspension dans un liquide porteur, débit lorsqu'il est agité ou forcé, mais restent épais voire gélatineux au repos.
Ce comportement très utile dans les fluides complexes est appelé amincissement par cisaillement :leur viscosité diminue lors du mélange et augmente au repos. Mais certains fluides, lorsque la vitesse de mélange augmente - comme requis dans de nombreux processus industriels à grande échelle - peut traverser la région de l'amincissement par cisaillement et se déplacer dans une région où la viscosité augmente considérablement, et ces fluides deviennent difficiles ou impossibles à remuer. Cet effet, connu sous le nom d'épaississement par cisaillement, est à l'étude depuis plusieurs décennies alors que les ingénieurs cherchaient à résoudre des problèmes de production complexes causés par le phénomène.
A la fin des années 1980, Le scientifique Richard L. Hoffman a proposé un modèle simple :lorsque les fluides sont mélangés à basse vitesse, les particules en suspension forment des couches ordonnées qui peuvent glisser facilement les unes sur les autres, faciliter la circulation. Mais lorsqu'ils sont exposés à des vitesses élevées, les couches se désordonnent et trébuchent les unes sur les autres, entraver l'écoulement; ce changement dans le type de flux est appelé « transition ordre-à-désordre ». C'est un peu comme une foule désordonnée, poussant et traînant son chemin à travers une sortie encombrée.
D'autres chercheurs ont pu observer ce comportement dans de nombreux fluides, mais pas dans tous les fluides épaississants par cisaillement. Donc, les scientifiques ont proposé plusieurs autres modèles pour expliquer le phénomène d'épaississement par cisaillement, mais aucun d'entre eux n'aborde le modèle de Hoffman.
"Alors le puzzle reste, Comment l'ordre à désordre des particules est-il lié au comportement d'épaississement par cisaillement ? Pourquoi cela ne se produit-il que dans certains fluides complexes ?", a déclaré Xiao-Min Lin, nanoscientifique au Center for Nanoscale Materials du Argonne National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE).
Maintenant, une équipe Argonne de nanoscientifiques et de physiciens a percé ce mystère de 30 ans en étudiant un fluide épaississant par cisaillement avec une caractérisation in situ aux rayons X.
"Combinant un rhéomètre, qui mesure la viscosité du liquide, avec la caractérisation aux rayons X crée un instrument unique qui peut comprendre la structure des particules lorsqu'elles se déplacent en temps réel, " dit Suresh Narayanan, un autre scientifique principal du projet et physicien du groupe de recherche Time Resolved de la division X-ray Science d'Argonne.
L'équipe a toujours soupçonné que l'uniformité des particules pourrait jouer un rôle dans ce phénomène. Alors Jonghun Lee, le stagiaire postdoctoral principal sur ce projet, synthétisé des nanoparticules de silice hautement uniformes de trois diamètres différents. En utilisant une technique spécifique de diffusion des rayons X aux petits angles ultra-sensibles (SAXS) à la source de photons avancée (APS) d'Argonne, Lin, Narayanan et leur équipe, désormais complétés par d'autres membres du groupe de recherche Time Resolved, ont mesuré en temps réel comment les nanoparticules s'écoulaient en réponse à une force appliquée.
L'effort du groupe a été récompensé. Les suspensions très uniformes créées par l'équipe ont permis de séparer les deux phénomènes :la transition ordre-à-désordre et l'épaississement par cisaillement normal. Jusqu'à maintenant, ils avaient été indiscernables dans d'autres expériences. Les données capturées in situ ont prouvé que la transition ordre-désordre découverte dans les années 1980 se produit dans les régions à faible contrainte et que l'épaississement constant par cisaillement se produit dans les régions à plus forte contrainte. En d'autres termes, ces comportements sont motivés par deux mécanismes indépendants.
"Mais quand vous avez des particules non uniformes, ces deux comportements s'effondrent dans la même région, les rendant indiscernables, " dit Lee.
L'équipe cherche maintenant à comprendre le mécanisme qui contribue réellement à l'épaississement par cisaillement. Ces études pourraient déboucher sur des applications en impression tridimensionnelle, l'industrie chimique et le domaine biomédical.
Ce travail, intitulé "Démêler le rôle de la transition ordre-désordre dans les suspensions épaississantes par cisaillement, " a été publié dans un numéro de janvier de Lettres d'examen physique .
