Gli scienziati dell'Università di Chicago hanno utilizzato le nanoparticelle piezoelettriche per studiare la fisica fondamentale dei fluidi non newtoniani, al fine di evitare la formazione di grumi nelle vernici.
La ricerca dell'Università di Chicago sulla scienza dei fluidi non newtoniani potrebbe portare a diverse potenziali applicazioni, come ad esempio le vernici che non si raggrumano. A questo proposito, i ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago (Stati Uniti d'America) hanno utilizzato le nanoparticelle piezoelettriche per studiare la fisica fondamentale dei fluidi non newtoniani, scoprendo un ruolo chiave dell'attrito tra le particelle nel far passare i materiali da una struttura fluida a una struttura più solida.
"Questo non solo risponde a domande basilari di lunga data sulle origini fisiche di questi materiali, ma apre le porte alla progettazione di nuovi fluidi non newtoniani con applicazioni pratiche", ha dichiarato Stuart Rowan, professore di ingegneria molecolare Barry L. MacLean.
I fluidi non newtoniani sono caratterizzati dalla loro viscosità, che cambia drasticamente quando i materiali sono sottoposti a stress. Tuttavia, altri materiali come l'oobleck, una sospensione concentrata di particelle, si comportano esattamente al contrario: possono apparire solidi quando vengono maneggiati, ma collassano in una pozza una volta posizionati.
Gli scienziati hanno formulato ipotesi sul perché le sospensioni concentrate di particelle cambiano quando vengono sottoposte a taglio, dato che sono esposte a forze multiple che agiscono in direzioni diverse. Queste ipotesi sono difficili da verificare e riguardano principalmente il modo in cui le molecole e le particelle che compongono i materiali possono interagire tra loro in modi diversi e in condizioni diverse.
"Per comprendere queste sospensioni di particelle concentrate, vogliamo essere in grado di osservare la struttura su scala nanometrica, ma le particelle sono così incredibilmente ammassate l'una con l'altra che è molto difficile imitare queste strutture", ha spiegato Hojin Kim, studioso post-dottorato.
Quando una sospensione densa di nanoparticelle piezoelettriche si addensa a causa della transizione da interazioni attrito-parte a interazioni attrito-particella, la piezoelettricità indotta dall'attrito nelle particelle a contatto genera carica elettrica, che a sua volta aumenta la conduttanza CA dell'ambiente circostante.
Per superare questa sfida, Hojin Kim ha collaborato con Rowan Aaron Esser-Kahn, professore del PME ed esperto di piezochimica e Heinrich Jaeger, un illustre professore di Fisica. Il team ha sviluppato una tecnica che misura la variazione della conduttanza elettrica in base alla forza di taglio esercitata su di essa e ha sospeso la nanoparticella in un liquido a una concentrazione tale da mostrare proprietà non newtoniane, come l'oobleck.
I ricercatori hanno quindi applicato una forza di taglio alla parte superiore e inferiore del liquido e hanno misurato simultaneamente i cambiamenti risultanti nella viscosità e nei segnali elettrici, consentendo così di determinare come le particelle interagissero nel passaggio da un materiale più liquido a uno più solido.
"Abbiamo scoperto che l'attrito tra le particelle era fondamentale per questa transizione. In questa soluzione concentrata di particelle, c'è un punto di svolta quando l'attrito raggiunge un certo livello e la viscosità aumenta bruscamente. I fluidi non newtoniani sono ovunque e questo ha molte applicazioni", ha aggiunto Kim.
La comprensione delle forze fisiche in gioco in una soluzione concentrata di particelle è un passo avanti verso la possibilità di progettare nuovi fluidi non newtoniani in laboratorio. In futuro, questi materiali ingegnerizzati potrebbero avere delle proprietà personalizzate che consentiranno agli scienziati di controllare la loro viscosità attraverso le sollecitazioni, con il risultato di ridurre l'agglomerazione e l'intasamento da parte di liquidi come le vernici.