La pasta de dientes, las cremas faciales, el gel para el cabello, la mayonesa y el ketchup son artículos para el hogar que la mayoría de las personas no piensan dos veces pero, en términos de su comportamiento de flujo, tienen propiedades inusuales. Todos son elasto-visco-plástico EVP, que se comportan como sólidos cuando están en reposo, pero pueden ceder para fluir como líquidos cuando están sometidos a suficiente estrés. A pesar de lo comunes que son estos materiales, nuestra capacidad para modelar y predecir su comportamiento se basa en una teoría que solo se ha demostrado que funcionabajo ciertas condiciones.
Los científicos de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST y el Laboratorio de Mecánica de Fluidos y Reología de la Universidad de Patras han revelado ideas sobre estos materiales al combinar experimentos con simulaciones.La investigación, publicada en PNAS, sugiere que la elasticidad de los materiales en su estado sólido es una propiedad clave que debería incluirse en modelos futuros.
"En la última década, los avances en los experimentos de microfluídica han revelado muchos fenómenos inesperados en el flujo de materiales EVP", dijo el profesor John Tsamopoulos, de la Universidad de Patras. "Los ejemplos incluyen las formas de burbujas en los geles y la pérdidade simetría en el flujo. Estas y otras observaciones insinuaron que faltaba algo de la teoría existente. Investigaciones previas en nuestro laboratorio sugirieron que la elasticidad, la capacidad de la microestructura del material para deformarse antes de ceder, era la parte faltante del rompecabezas."
La profesora Amy Shen, que dirige la Unidad OIST, enfatizó la importancia de esta investigación. "Incluso cuando se dejan de lado los artículos básicos del hogar, tener una comprensión fundamental de cómo fluyen los materiales de EVP es muy útil, especialmente en ciencias biomédicas y geofísica".Por ejemplo, explicó, la sangre es un material EVP: se comporta como un sólido en reposo pero fluye como un líquido en las arterias. Además, agregó, algunos tejidos y andamios impresos en 3D pueden tener propiedades EVP y, en elPor el lado de la geofísica, la lava volcánica se comporta como un material EVP, aunque a una escala mucho mayor.
Investigaciones experimentales previas sobre materiales EVP han medido su comportamiento bajo el flujo de corte, obtenido cuando las capas de fluido se deslizan entre sí. Pero, cuando se trata del procesamiento industrial y los usos de estos materiales, como el hilado de fibras y los tableros de circuitosimpresión, a menudo es el flujo extensional, cuando el fluido se estira, eso es más importante.
El estudio de flujos puramente extensionales es un gran desafío en la dinámica de fluidos experimental, y el flujo extensional de materiales EVP nunca antes se había medido con éxito en experimentos. Para lograr esto por primera vez, el Dr. Simon Haward, el líder del grupo deLa Unidad Micro / Bio / Nanofluídica, utilizó un novedoso aparato microfluídico conocido como geometría de ranura cruzada. El aparato constaba de cuatro canales que estaban todos en ángulo recto entre sí.
"Dentro de la geometría de ranura cruzada, utilizamos una solución Pluronic, un material EVP bien conocido", dijo el Dr. Haward. "Cuando presionamos los dos canales de entrada, que estaban ubicados uno frente al otro, la soluciónfue empujado hacia el punto central y salió de los otros dos canales. El flujo resultante tiene un punto en el centro donde la velocidad llega a cero. En los dos canales de salida, generamos un flujo extensional donde se estiró el fluido ".
Mientras tanto, el profesor Yannis Dimakopoulos y los investigadores de la Universidad de Patras crearon un modelo teórico y simularon el flujo de dos materiales EVP: la solución Pluronic y otro material llamado Carbopol. Mostraron que surgieron patrones complejos en el flujo, que incluíanpresencia de regiones solidificadas rodeadas por el estado líquido. Sus hallazgos coincidieron con los experimentos realizados en OIST.
"Este modelo puede describir materiales EVP simples en flujos de corte, extensionales y mixtos. Aunque solo nos enfocamos en dos materiales, podría usarse en una amplia variedad con diferentes niveles de elasticidad, plasticidad, viscosidad y otras propiedades", dijoStelios Varchanis, candidato a doctorado en la Universidad de Patras y primer autor del artículo, dice: "Esto hace que el modelo sea apropiado para simular flujos durante el diseño y la optimización de diversos procesos industriales".
Esta investigación sugiere que la teoría existente necesita ser revisada para incluir la elasticidad del material ". Dependiendo de la cantidad de deformación que el material EVP pueda soportar antes de ceder, se comportará de una manera cercana a lo que predicela teoría existente o se comportará más como un sólido elástico que fluye ", dijo Stelios.
"Los experimentos en OIST complementaron las simulaciones", dijo el Dr. Cameron Hopkins, de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica de OIST. "Aunque la solución Pluronic que estudiamos solo muestra efectos elásticos débiles, se observó una pequeña cantidad de asimetríaen el flujo que indica una desviación del comportamiento puramente fluido, por lo que no se puede descuidar la elasticidad. Nuestros experimentos proporcionaron un fuerte apoyo para la modificación propuesta de la teoría ".
Esta investigación también involucró al Dr. Alexandros Syrakos de la Universidad de Patras.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Original escrito por Lucy Dickie. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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