Lake, boya, beton – ve hatta ketçap veya portakal suyu: süspansiyonlar endüstri ve günlük yaşamda yaygındır. Bir süspansiyonla, malzeme bilim adamları küçük, çözünmeyen katı parçacıkların eşit olarak dağıtıldığı bir sıvı anlamına gelir. Böyle bir karışımdaki parçacıkların konsantrasyonu çok yüksekse, günlük bir sıvı anlayışımızla çelişen fenomenler gözlenebilir. Örneğin, bu sözde Newtonian olmayan sıvılar, güçlü bir güç onlara hareket ettiğinde aniden daha viskoz hale gelir. Kısa bir süre için sıvı katı gibi davranır.
Bu ani kalınlaşmaya, süspansiyonda bulunan parçacıklardan kaynaklanır. Süspansiyon deforme olursa, parçacıkların kendilerini yeniden düzenlemeleri gerekir. Enerji perspektifinden bakıldığında, mümkün olduğunda birbirlerini geçmeleri daha avantajlıdır. Sadece bu artık mümkün olmadığında, örneğin, çünkü birkaç parçacık sıkışır, birbirlerine göre kaymaları gerekir. Bununla birlikte, kayma çok daha fazla kuvvet gerektirir ve bu nedenle sıvı makroskopik olarak daha viskoz hisseder.
Mikroskopik olarak küçük bir ölçekte meydana gelen etkileşimler bu nedenle tüm sistemi etkiler ve bir süspansiyonun nasıl aktığını belirler. Süspansiyonu optimize etmek ve özellikle akış özelliklerini etkilemek için, bilim adamları bu nedenle bireysel parçacıklar arasındaki sürtünme kuvvetlerinin büyüklüğünü anlamalıdır.
Bilim adamları ne araştırdı?
Arayüzler ve yumuşak madde profesörü Lucio Isa liderliğindeki ETH malzemeleri araştırmacıları, bireysel parçacıklar arasındaki sürtünme kuvvetlerini sadece birkaç mikrometre çapında ölçmek için bir yöntem geliştirdi. Çalışma şurada yayınlandı Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri.
Araştırmacılar ölçümleri için sözde bir atomik kuvvet mikroskobu kullandılar. Doktora öğrencisi Simon Scherrer ilk olarak tek bir küresel parçacık yakalamaya hizmet eden mikroskopik olarak küçük bir tutucu geliştirdi. Sonra bunu hareket ettiriyorlar “sıkışmış” Atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak parçacık ile aynı özelliklere sahip düz bir yüzey üzerinde parçacık. Bu şekilde, araştırmacılar birbirlerini geçerek iki parçacığı taklit edebildiler ve yüzeyler arasındaki küçük kuvvetleri ölçebildiler.
Bu neden bu kadar önemli?
İncelenen parçacıklar küçüktür – sadece 12 mikrometre, yani bir metrenin 12 milyonda biri. Buna karşılık, parçacık üzerinde meydana gelen yuvarlanma sürtünmesini ölçmek için uygun bir ölçüm tekniği geliştirmek zordu. Uygun bir tutucu yapmanın özellikle zor olduğu kanıtlandı. “Gereksinimleri karşılayan bir versiyon bulana kadar 50 versiyon geliştirmiş olmalıyım,” Scherrer ortaya koyuyor.
Araştırmacılar, küçük parçacıkların yüzeyinin süspansiyonun davranışını nasıl etkilediğini anlamak için farklı parçacıklar yaptılar. “Pürüzsüz veya çok kaygan bir yüzeye sahip parçacıklar, bunları ne kadar sıkı bir şekilde bastırdığımızdan bağımsız olarak birbirine geçti.” Scherrer açıklıyor.
Kaba veya yapışkan parçacıklar ile durum çok farklıydı, çünkü bu parçacıklar vites tekerlekleri gibi birbirleriyle etkileşime giriyor ve çok az dirençle yuvarlanıyorlar. Son olarak, araştırmacılar kayar sürtünmelerini ölçmek için tutucudaki parçacıkları sabitlediler. Bu sürtünme, yuvarlanan sürtünmeden çok daha yüksektir ve süspansiyonların dramatik kalınlaşmasını açıklar.
Bu hangi amaca hizmet ediyor?
Araştırmacılar, ilgili parçacıkların yuvarlanma ve kayma sürtünmesi için katsayıları doğrudan ölçümlerinden elde edebildiler. Bu rakamlar bilgisayar modellerinde, örneğin partiküllerin yüksek bir kısmına sahip süspansiyonları simüle etmek ve böylece optimum akış özelliklerini belirlemek için kullanılabilir. Kalınlaşmanın temel nedeni olan mikroskobik mekanizmalara ilişkin bu içgörüler, endüstri, inşaat veya günlük yaşamdaki uygulamalar için süspansiyonları optimize etmek için yeni yaklaşımlar sunmaktadır.
Diğerlerinin yanı sıra, faydalanıcılar beton endüstrisini veya mikroelektronik üreticilerini içerebilir. İkincisi, bileşenleri devre kartlarına lehimlemek için zaten metalik, iletken parçacıklarla yoğun süspansiyonlar kullanıyor. Lehim macunu dar nozullardan basılır. Basınç çok büyükse, macun aniden kalınlaşabilir ve nozumu tıkayabilir.
“Bu davranışı önlemek ve bu tür süspansiyonları optimize etmek için, parçacıkların mikro ölçekte nasıl davrandığını ve süreçte hangi kuvvetlerin oluştuğunu tam olarak bilmek zorundayız.” Isa diyor.
