Pour la première fois, les chercheurs ont pu capturer des images fournissant des détails sans précédent sur le comportement des particules dans une suspension liquide lors du phénomène connu sous le nom d'épaississement par cisaillement. Le travail nous permet de comprendre directement les processus derrière l'épaississement par cisaillement, qui n'avait auparavant été compris que sur la base de l'inférence et de la modélisation informatique.

L'épaississement par cisaillement est un phénomène qui peut se produire lorsque des particules sont en suspension dans une solution à faible viscosité. Si la concentration de particules est suffisamment élevée, puis, lorsqu'une contrainte est appliquée à la solution, elle devient très visqueuse et se comporte effectivement comme un solide. Lorsque le stress est supprimé ou se dissipe, la suspension revient à sa viscosité normale de type fluide. Ce phénomène peut être vu dans des vidéos YouTube populaires dans lesquelles les gens peuvent courir sur une solution d'amidon de maïs en suspension dans l'eau, mais s'enfoncer dans la solution lorsqu'ils restent immobiles.

L'épaississement par cisaillement peut être un handicap ou un avantage, selon le contexte.

Par exemple, dans les industries de la transformation alimentaire à la fabrication pharmaceutique, les entreprises essaient souvent de pomper des liquides avec des concentrations élevées de particules pour rendre les processus de fabrication plus efficaces et rentables. Et si ces entreprises ne tiennent pas compte correctement de l'épaississement par cisaillement, les liquides pompés peuvent se bloquer ou se boucher, ce qui leur fait perdre un temps précieux et peut endommager leur équipement.

D'autre part, les propriétés d'épaississement par cisaillement peuvent également être utilisées pour développer des matériaux absorbant la force destinés à être utilisés dans des applications telles que les gilets pare-balles, ou en tant que mécanisme de contrôle des caractéristiques physiques des dispositifs robotiques logiciels.

Pour ces raisons, les chercheurs ont passé des années à essayer de comprendre précisément comment et pourquoi l'épaississement par cisaillement se produit. Cependant, les chercheurs ont été contraints de s'appuyer sur l'expérimentation indirecte, car ils n'ont pas pu capturer le comportement précis des particules en solution lors de l'épaississement par cisaillement. Jusqu'à maintenant.

Une équipe de chercheurs de la North Carolina State University et de la Northeastern University a utilisé un instrument personnalisé, appelé rhéomètre confocal, pour capturer des images microscopiques de particules en solution lorsqu'elles ont été exposées à des contraintes afin de déclencher un épaississement par cisaillement. Des simulations informatiques ont été utilisées pour appuyer les observations expérimentales.

« Au fur et à mesure que le stress augmentait, nous avons pu voir se former des réseaux complexes entre les particules, " dit Lilian Hsiao, auteur correspondant d'un article sur le travail et professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à NC State. "Et les formes de ces réseaux dépendaient de la forme et de la rugosité des particules. Plus précisément, la façon dont les particules voisines sont réarrangées lorsqu'une contrainte est appliquée dicte la façon dont elles s'épaississent par cisaillement.

"Comprendre ces corrélations entre la rugosité des particules, particules à grande échelle, et l'épaississement par cisaillement nous permettent de mieux prédire le comportement d'épaississement par cisaillement des suspensions."

Spécifiquement, l'équipe de recherche a développé un moyen de prédire avec plus de précision la quantité de contrainte pouvant être appliquée à une concentration donnée de particules avant qu'une suspension ne commence à s'épaissir par cisaillement, ainsi que la viscosité de la solution, en fonction de la rugosité des particules. La rugosité des particules est importante car leurs interactions de surface dictent à quel point les particules peuvent être serrées les unes contre les autres, ou "bloqué, " dans la suspension avant de devenir effectivement solide.

"Pour les applications pratiques, les gens n'auront pas besoin de capturer leurs propres images microscopiques de ce qui se passe pendant le processus d'épaississement par cisaillement, " dit Hsiao. " S'ils connaissent la rugosité des particules qu'ils ont en solution, ils seront en mesure de déterminer quelles concentrations fonctionneront pour leurs diverses applications."

Le papier, "La distance de brouillage dicte l'épaississement par cisaillement colloïdal, " est publié dans Lettres d'examen physique .