Les chercheurs utilisent des ondes ultrasonores pour manipuler la viscosité des matériaux épaississants par cisaillement, transformer les solides en neige fondue et vice-versa.

L'étude, "Utilisation des perturbations acoustiques pour régler dynamiquement l'épaississement du cisaillement dans les suspensions colloïdales, " a été publié le 17 septembre dans Lettres d'examen physique .

Les fluides épaississants par cisaillement sont une classe de matériaux qui s'écoulent comme un liquide mais se solidifient lorsqu'ils sont pressés ou cisaillés rapidement, comme les sables mouvants et Oobleck, la boue de jeu des enfants. Les applications techniques du matériau vont des gilets pare-balles souples et combinaisons d'astronautes à l'impression 3D de métaux et de céramiques.

Mais le processus d'épaississement par cisaillement peut être peu coopératif :plus vous manipulez le matériau, plus il se solidifie, ce qui dans le cas de l'impression 3D et de la fabrication du béton peut conduire à des buses encrassées et à des trémies bloquées.

Itai Cohen, professeur et co-auteur principal de l'article, ont déjà trouvé un moyen de manipuler - ou "d'accorder" - le matériau en brisant les structures rigides ou les chaînes de force formées par les particules dans ces suspensions par oscillation perpendiculaire. Mais cette méthode s'est avérée peu pratique. Ce n'est pas facile, après tout, secouer et tordre un tuyau d'usine.

Cohen et Ph.D. l'étudiante Meera Ramaswamy s'est associée à Brian Kirby, professeur d'ingénierie, et Ph.D. étudiant Prateek Sehgal, qui ont utilisé des transducteurs acoustiques pour manipuler des particules à l'échelle micro et nanométrique dans le laboratoire de Kirby.

Sehgal a développé un dispositif simple mais efficace qui consiste en une plaque inférieure avec un transducteur acoustique, appelé piézo, qui génère des ondes ultrasonores.

"Lorsque vous excitez ce piézo à une fréquence et une tension spécifiques, il émane les ondes acoustiques à travers la plaque inférieure jusqu'à la suspension. Ces perturbations acoustiques rompent les chaînes de force responsables de l'épaississement par cisaillement, " dit Sehgal, co-auteur principal de l'article avec Ramaswamy.

"Les perturbations que vous induisez sont en fait vraiment, vraiment minuscule, il en faut donc peu pour rompre les forces de contact entre les microparticules, " a déclaré Cohen. " C'est l'idée clé qui nous a permis de réfléchir à l'application de ces types de perturbations et à leur fonctionnement. Essentiellement, toute géométrie où vous avez un écoulement épaissi, vous pouvez maintenant simplement appliquer un piézo et désépaissir cette région. Cette stratégie ouvre simplement l'applicabilité à un éventail d'applications beaucoup plus large."

Les chercheurs ont développé l'approche en manipulant des particules dans des substances jusqu'à 1,3 mm d'épaisseur, mais parce que les ondes ultrasonores peuvent se propager sur de longues distances dans le matériau, Kirby prévoit qu'il sera utilisé sur des tuyaux aussi larges qu'un pied. Les applications potentielles incluent la transformation des aliments, en particulier pour les matériaux qui ont des suspensions particulaires comme les pâtes, la fabrication du béton, ainsi que l'impression 3D de céramiques et de métaux.

L'utilisation de l'énergie acoustique est également un outil scientifique précieux pour les chercheurs qui étudient le comportement d'épaississement d'un matériau et la dynamique du système. Typiquement, étudier l'épaississement, il faut commencer par une suspension détendue et augmenter les flux. Ce processus, cependant, peut prendre beaucoup de temps.