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Cuando se combinan maicena y agua en las cantidades adecuadas, se crea una sustancia que no parece ni líquida ni sólida. Si se deja solo, Oobleck fluye y se asienta como un líquido, luego se vuelve rígido cuando se levanta o se agita con una cuchara. Los científicos han luchado durante mucho tiempo por explicar por qué las propiedades del oobleck y otros fluidos no newtonianos, como la masilla, las arenas movedizas, la pintura y el yogur, cambian bajo estrés o tensión.
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Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han estudiado la física fundamental de los fluidos no newtonianos utilizando nanopartículas piezoeléctricas que responden de manera diferente a la presión. Se descubrió que la fricción entre partículas desempeña un papel importante en la transición de materiales de una forma líquida a una forma más sólida.
Esto no sólo responde a preguntas fundamentales de larga data sobre los orígenes físicos de estos materiales, sino que también abre las puertas al desarrollo de nuevos fluidos no newtonianos con aplicaciones prácticas.
Stuart Rowan, coautor principal del estudio y profesor Barry L. MacLean, Ingeniería Molecular, Universidad de Chicago
El estudio fue publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
Pinturas que no se agrupan, líquidos que se solidifican cuando se agitan y equipos de seguridad portátiles que se endurecen cuando se impactan son solo algunos de los posibles usos.
Sondas piezoeléctricas
La viscosidad o espesor de los fluidos no newtonianos se caracteriza por un gran cambio cuando los materiales están bajo tensión. Esto significa que, en ciertos materiales, la tensión provoca adelgazamiento. El ketchup se puede hacer mucho más vertible agitando la botella; La pasta de dientes, el yogur y la mayonesa conservan su forma en un recipiente, pero se vuelven más líquidos cuando se usan.
Sin embargo, ciertos materiales reaccionan de manera opuesta, como el Oobleck, una suspensión concentrada de partículas que puede parecer sólida cuando se manipula pero que colapsa formando un charco cuando se asienta.
Los científicos han desarrollado propuestas para explicar por qué las suspensiones de partículas densas cambian cuando se cortan, cuando se las somete a numerosas fuerzas que actúan en direcciones opuestas. Estas suposiciones se refieren principalmente a cómo las moléculas y partículas que componen los materiales pueden interactuar entre sí de diferentes maneras en diferentes situaciones, pero cada teoría es difícil de probar.
Para comprender estas suspensiones de partículas concentradas, queremos poder observar la estructura a nanoescala, pero las partículas están tan increíblemente densamente empaquetadas que es muy difícil obtener imágenes de estas estructuras.
Hojin Kim, primer autor del estudio e investigador postdoctoral, Universidad de Chicago
Kim trabajó con Rowan, Aaron Esser-Kahn, profesor de PME y experto en piezoquímica, y Heinrich Jaeger, profesor de física con servicio distinguido de Sewell Avery, para resolver este problema. El equipo desarrolló un método para medir el cambio en la conductividad eléctrica en función del esfuerzo cortante. Luego, la nanopartícula se suspendió en un líquido a una concentración tal que exhibió un comportamiento no newtoniano similar al de Oobleck.
La parte superior e inferior del líquido se sometieron a esfuerzos cortantes y los investigadores registraron simultáneamente los cambios resultantes en la viscosidad y los pulsos eléctricos. Esto les permitió determinar la naturaleza de las interacciones de las partículas a medida que el material pasa de un estado más líquido a uno más sólido.
Kim agregó: “Descubrimos que la fricción entre partículas era crucial para esta transición. En esta solución concentrada de partículas, hay un punto de inflexión cuando la fricción alcanza un cierto nivel y la viscosidad aumenta repentinamente.«
Una gama de aplicaciones
Comprender los principios básicos de una solución concentrada de partículas es un primer paso necesario hacia el desarrollo de nuevos fluidos no newtonianos en el laboratorio. Es posible que algún día los científicos puedan cambiar la viscosidad de estas sustancias sintetizadas mediante estrés debido a sus propiedades sintonizables.
En algunos casos, esto puede hacer que sea menos probable que líquidos como pintura y concreto se aglomeren y se obstruyan. En otras circunstancias, podría tratarse del endurecimiento específico de los materiales según las necesidades.
“Esperamos eventualmente identificar la combinación ideal de solventes, partículas y condiciones de corte para cada aplicación para lograr las propiedades deseadas. Este trabajo puede parecer una investigación muy básica, pero en realidad los fluidos no newtonianos están en todas partes y por tanto tienen muchas aplicaciones.“Kim explicó.
Por ahora, los investigadores de Pritzker Molecular Engineering y la Universidad de Chicago quieren utilizar la actividad piezoeléctrica inducida por estrés de sus suspensiones de nanopartículas para crear nuevos materiales que sean sensibles y adaptables, como aquellos que se endurecen en respuesta a la fuerza mecánica.
Referencia de la revista:
Kim, H., et al. (2023). Fricción activada por tensión en suspensiones cizalladas estudiadas con nanopartículas piezoeléctricas. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. doi:10.1073/pnas.2310088120.
Fuente: https://www.uchicago.edu/en
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