Pasta de dentes, cremes para o rosto, gel de cabelo, maionese e ketchup são itens domésticos que a maioria das pessoas não pensa duas vezes, mas em termos de comportamento de fluxo, eles têm propriedades incomuns. Eles são todos materiais de elasto-visco-plástico (EVP), que se comportam como sólidos quando em repouso, mas pode ceder para fluir como líquidos quando colocado sob estresse suficiente. Apesar de sua onipresença, a capacidade de modelar e prever seu comportamento depende de uma teoria que só funcionou sob certas condições.

Cientistas da Unidade de Micro / Bio / Nanofluídica da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) e do Laboratório de Mecânica dos Fluidos e Reologia da Universidade de Patras revelaram insights sobre esses materiais combinando experimentos com simulações. Sua pesquisa, publicado em PNAS , sugere que a elasticidade dos materiais em seu estado sólido é uma propriedade chave que deve ser incluída em modelos futuros.

"Na última década, avanços em experimentos de microfluídica revelaram muitos fenômenos inesperados no fluxo de materiais EVP, "disse o professor John Tsamopoulos, da Universidade de Patras. "Os exemplos incluem as formas pontiagudas das bolhas nos géis e a perda de simetria no fluxo. Essas e outras observações sugeriram que algo estava faltando na teoria existente. Pesquisas anteriores em nosso laboratório sugeriram que a elasticidade, a capacidade da microestrutura do material de se deformar antes de ceder, era a parte que faltava no quebra-cabeça. "

Professora Amy Shen, quem lidera a Unidade OIST, disse, "Mesmo quando itens domésticos básicos são reservados, ter uma compreensão fundamental de como o fluxo de materiais EVP é muito útil, especialmente em ciências biomédicas e geofísica. "Por exemplo, ela explicou, sangue é um material EVP - ele se comporta como um sólido em repouso, mas flui como um líquido nas artérias. O que mais, ela adicionou, alguns tecidos impressos em 3-D e andaimes podem ter propriedades EVP, e, do lado da geofísica, A lava vulcânica se comporta como um material EVP, embora em uma escala muito maior.

Pesquisas experimentais anteriores em materiais EVP mediram seu comportamento sob fluxo de cisalhamento, obtido quando camadas de fluido deslizam umas sobre as outras. Mas, quando se trata de processamento industrial e usos desses materiais, como fiação de fibra e impressão de placa de circuito, geralmente é o fluxo extensional - quando o fluido é esticado - que é mais importante.

O estudo de escoamentos puramente extensionais é um grande desafio na dinâmica de fluidos experimental, e o fluxo extensional de materiais EVP nunca foi medido com sucesso em experimentos. Para conseguir isso pela primeira vez, Dr. Simon Haward, o líder do grupo da Unidade Micro / Bio / Nanofluídica, usou um novo aparelho microfluídico conhecido como geometria cross-slot. O aparelho compreendia quatro canais que faziam ângulos retos uns com os outros.

"Dentro da geometria cross-slot, usamos uma solução Pluronic, um material EVP bem conhecido, "disse o Dr. Haward." Quando colocamos pressão nos dois canais de entrada, que estavam localizados opostos um ao outro, a solução foi empurrada para o ponto central e saiu dos outros dois canais. O fluxo resultante tem um ponto no centro onde a velocidade vai para zero. Nos dois canais de saída, geramos um fluxo extensional onde o fluido foi esticado. "

Enquanto isso, O professor Yannis Dimakopoulos e pesquisadores da Universidade de Patras criaram um modelo teórico e simularam o fluxo de dois materiais EVP - a solução Pluronic e outro material chamado Carbopol. Eles mostraram que padrões complexos surgiram no fluxo, que incluiu a presença de regiões solidificadas circundadas pelo estado líquido. Suas descobertas correspondem aos experimentos realizados no OIST.

"Este modelo pode descrever materiais EVP simples em cisalhamento, fluxos extensionais e mistos. Embora nos concentremos apenas em dois materiais, pode ser usado em uma ampla variedade com níveis variados de elasticidade, plasticidade, viscosidade, e outras propriedades, "disse Stelios Varchanis, um Ph.D. candidato na Universidade de Patras e primeiro autor do artigo. "Isso torna o modelo adequado para simular fluxos durante o projeto e a otimização de vários processos industriais."

Esta pesquisa sugere que a teoria existente precisa ser reformulada para incluir a elasticidade do material. "Dependendo da quantidade de deformação que o material EVP pode suportar antes de ceder, ele irá se comportar de uma maneira próxima ao que é previsto pela teoria existente ou irá se comportar mais como um sólido elástico fluindo, "disse Stelios.

"Os experimentos no OIST complementaram as simulações, "disse o Dr. Cameron Hopkins, da OIST Micro / Bio / Nanofluidics Unit. "Mesmo que a solução Pluronic que estudamos exiba apenas efeitos elásticos fracos, uma pequena quantidade de assimetria foi observada no fluxo, indicando um desvio do comportamento puramente fluido, portanto, a elasticidade não pode ser negligenciada. Nossos experimentos forneceram um forte suporte para a modificação proposta da teoria. "

Esta pesquisa também envolveu o Dr. Alexandros Syrakos da Universidade de Patras.