Los líquidos son una parte importante de nuestra vida cotidiana. Los fluidos como el agua son newtonianos, y su comportamiento viscoso se entiende bien. Sin embargo, muchos fluidos comunes son viscoelásticos. Estos fluidos, como los que se encuentran comúnmente en cosméticos, jabones y pinturas,posee una combinación de propiedades viscosas, líquidas y elásticas, sólidas y sabemos sorprendentemente poco sobre cómo fluyen.
A pesar de no saber mucho acerca de sus propiedades de flujo, los fabricantes agregan estos fluidos a muchos tipos diferentes de productos de uso diario. Sin fluidos viscoelásticos, la vida se sentiría muy diferente. No podríamos disfrutar de la rica espuma de los champús, ni de los masticablestextura de un caramelo gomoso, ni la comodidad elástica de un calzado deportivo bien construido.
Para comprender más acerca de estos fluidos, los investigadores de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST estudian las propiedades de flujo y el comportamiento de diferentes fluidos viscoelásticos. Prof. Amy Shen, líder de launidad, y el Dr. Simon Haward, el líder del grupo de la unidad, están investigando dos tipos específicos de líquidos comúnmente utilizados en productos manufacturados: soluciones de polímeros y soluciones de "polímeros vivos".
Los polímeros son moléculas largas compuestas de subunidades repetidas. Las soluciones poliméricas tienen una amplia gama de aplicaciones, particularmente en la formulación de alimentos, tintas, pinturas e incluso fluidos protésicos como gotas para los ojos y saliva artificial. Durante el flujo, estas largas moléculas de polímero pueden convertirse enestirado como bandas de goma, que le dan al fluido su elasticidad.
En un estudio colaborativo con el investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Profesor Gareth McKinley, Shen y Haward observaron los patrones de flujo de una serie de soluciones de polímeros viscoelásticos a través de una unión de 4 vías. Utilizando una técnica llamada birrefringencia inducida por flujo, demostraron quese incrementó la velocidad de flujo a través de la unión, las moléculas de polímero se estiraron mucho en una hebra estrecha que pasa por el centro de la unión. La birrefringencia inducida por el flujo es causada por pequeños cambios medibles en la refracción de la luz que pasa a través de un líquido cuando estáhecho que fluya. Estos cambios en la refracción de la luz se correlacionan directamente con las tensiones elásticas en el fluido que fluye. Los investigadores encontraron que la fuerte elasticidad dentro de la hebra birrefringente causó graves distorsiones de los patrones de flujo observados.fluctuaciones o inestabilidades en los patrones de flujo.
Estos experimentos permitieron a los investigadores demostrar que el mecanismo para el inicio de la inestabilidad en este flujo de estiramiento es consistente con el de las inestabilidades viscoelásticas en otros tipos de flujos más simples. En una tubería curva, por ejemplo, el inicio de la inestabilidad puedese puede predecir bastante bien dependiendo de las condiciones geométricas precisas y las propiedades del fluido. Sin embargo, hasta ahora nunca se ha demostrado que se puedan aplicar predicciones similares a los flujos de estiramiento.
Muchos procesos industriales, como la extrusión, el hilado de fibras y la impresión de inyección de tinta, implican el flujo de estiramiento de fluidos viscoelásticos. Las inestabilidades de flujo generalmente tienen un efecto perjudicial en la calidad de los productos finales y, por lo tanto, limitan directamente las velocidades a las que se pueden llevar dichos procesosLa capacidad de predecir la aparición de inestabilidades en tales flujos puede ayudar a optimizar las tasas de procesamiento y obtener productos finales superiores. Los resultados del estudio se publican en la revista de acceso abierto Nature Reports Scientific Reports.
La Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica también estudia el flujo de 'polímeros vivos'. Al igual que los polímeros, estos materiales forman largas cadenas de unidades repetidas múltiples, pero a diferencia de los polímeros, estas unidades no están químicamente unidas, sino que dependen de otras fuerzas paracohesión. Las micelas con forma de gusano WLM, un tipo de "polímero vivo", forman agregados largos en forma de barra suspendidos en una solución. Al igual que con los polímeros, estos materiales tienen numerosas aplicaciones industriales, incluso como aditivos en champús y cosméticos y como materiales paramejorar la recuperación de petróleo y gas EOR.
Las soluciones WLM se bombean a la lutita durante el fracking para extraer más petróleo y gas de estas formaciones rocosas subterráneas. Las soluciones son inicialmente espesas y gelatinosas, lo que les permite generar altas presiones y fracturar la lutita. Sin embargo, cuandoentran en contacto con los hidrocarburos, las micelas se desmontan permitiendo que la solución se comporte más como el agua y fluya fácilmente de la roca.
Estas formaciones de lutitas contienen muchas obstrucciones que alteran el flujo de soluciones dentro. El Prof. Shen decidió usar un modelo simplificado para estudiar el patrón de flujo de las soluciones WLM cuando hay un bloqueo. Dr. Ya Zhao, un ex estudiante graduado del ProfShen, de la Universidad de Washington, construyó un canal a microescala en el que podía observar el flujo de las soluciones WLM alrededor de un cilindro que actuaba como una obstrucción en el camino del flujo. Luego comparó los patrones de flujo de un fluido newtoniano y una solución WLMobservando las rayas formadas por las partículas trazadoras fluorescentes. También midió el crecimiento de tensiones en la solución WLM usando birrefringencia inducida por flujo.
Determinar cómo fluyen estos materiales es de vital importancia para optimizar sus aplicaciones. Estos materiales existen en una amplia variedad de productos y se explotan en muchos procesos industriales, por lo que su optimización es una prioridad para los fabricantes. Determinar su comportamiento de flujo es un paso más cerca de logrartodo el potencial de estos productos
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Materiales proporcionado por Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa - OIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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