A pasta de dente tem um trabalho difícil. Ele não só precisa realizar funções essenciais, como esfregar os resíduos de café dos dentes brancos, mas também deve permanecer no tubo, sair suavemente sob pressão e equilibrar-se em um monte de cerdas sem escorrer pela pia do banheiro.



E todos os usuários, em todos os lugares, apreciam quando qualquer excesso de pasta extrudado, mas não necessário na escova de dentes, desliza perfeitamente de volta para o tubo.

Este é um exemplo de suspensão elastoplástica tixotrópica feita de muitas partículas diferentes. Agora isso é um bocado.

De acordo com Norman Wagner, Cátedra Unidel Robert L. Pigford em Engenharia Química e Biomolecular da Universidade de Delaware, esses tipos de suspensões são encontrados em tudo, desde loções a tintas de impressão 3D até materiais de blocos de construção para itens, incluindo pneus de borracha, argilas, cimentos e muito mais.

Muitos desses materiais são feitos por meio de experimentação – tentativa e erro. O material do seu pneu não tem absorção de choque suficiente? Misture um novo lote de partículas para reduzir o salto.

Wagner e uma equipe de pesquisadores da UD se perguntaram se havia uma maneira de começar a partir de uma imagem fundamental das partículas e suas interações no front-end, que pudesse ser controlada através da química, para desenvolver um produto final com as propriedades materiais desejadas.

O resultado é um modelo fundamental com aplicações para a compreensão de uma variedade de materiais, incluindo o fluxo sanguíneo humano, produtos de consumo como plásticos ou dispersões de negro de fumo e sílica encontradas em produtos industriais para a fabricação de pneus até semicondutores.

A abordagem da equipe de pesquisa foi recentemente apresentada na capa do AIChE Journal .

Enquanto engenheiros de todo o país convergem em Orlando, Flórida, esta semana para a reunião anual da AIChE de 2023, realizada de 5 a 10 de novembro, o UDaily conversou com Wagner sobre o trabalho.

P:Qual é o problema que você estava tentando resolver?

Wagner:Coisas como pasta de dente, cimentos, geopolímeros – até mesmo produtos domésticos comuns, como sua garrafa plástica de sabão em pó – são compostos de muitas partículas que se combinam ou se separam sob diferentes condições. Na pasta de dente, existem partículas para limpar, refrescar o hálito e garantir que a pasta de dente faça espuma. Partículas em plásticos, como uma garrafa de sabão em pó, dão cor à garrafa.

Este artigo aborda uma nova abordagem que estamos desenvolvendo em nosso grupo para partir de uma imagem fundamental das partículas e suas interações para conectar os pontos entre a estrutura do material, como isso é afetado pelo fluxo de processamento e como isso leva a um resultado final. propriedades do material.

Em teoria, isso nos permitiria começar com uma descrição fundamental, que você pode controlar através da química, e então desenvolver um produto final que forneça as propriedades desejadas do material. O modelo é baseado na modelagem de balanço populacional, uma ferramenta muito poderosa usada na engenharia química, bem como em outras disciplinas. Por exemplo, o meu grupo de investigação utilizou esta ferramenta durante a pandemia para modelar como o comportamento poderia influenciar a transmissão do coronavírus (COVID-19) na comunidade UD.

P:Por que os não-cientistas se importariam com esta pesquisa?

Wagner:Isso pode ser garantir que a pasta de dente fique na escova de dente ou que o ketchup fique no cachorro-quente sem fazer bagunça. Isso é trivial. Mas pegue um painel solar, onde existem conexões que são feitas através de partículas de prata em uma pasta. Aqui você deseja essencialmente imprimir uma pasta de partículas de prata e depois fundir essas partículas de prata para formar os fios. Agora, se você puder melhorar isso, você fará painéis solares que duram mais, mas esse fio também cobre alguns dos painéis que poderiam coletar energia solar.

Assim, uma possível aplicação onde este tipo de modelagem é muito importante são os processos industriais como a impressão, pois se conseguirmos tornar os fios melhores, mais estreitos ou mais uniformes, através da compreensão de como formular melhor a pasta para obter a impressão que desejamos, poderemos ser capaz de melhorar a eficiência de um painel solar em alguns por cento. Multiplique essa pequena porcentagem por um número infinito de painéis solares e isso é um grande número.

Portanto, onde você deseja produtos melhores, plásticos mais resistentes, melhores itens automotivos, a capacidade de imprimir sistemas preenchidos em 3D como cerâmica, metais ou cimento, você precisa de um melhor controle dos comportamentos de fluxo e das propriedades finais do material.

P:Como isso se relaciona com o fluxo sanguíneo?

Wagner:O fluxo sanguíneo é interessante. As células sanguíneas são partículas. No seu corpo, os glóbulos vermelhos se unem e se acumulam como moedas. Essas pilhas formam agregados de partículas que são importantes para a forma como o sangue flui pelo corpo, coração e artérias, por exemplo.

Precisamos que as células sanguíneas se agreguem para coisas como a coagulação, mas não queremos que elas se agreguem no lugar errado na hora errada. Portanto, é importante modelar isso corretamente para casos de uso, como dispositivos de saúde ou outros aplicativos.

P:Por que é importante ter seu trabalho na capa do AIChE Journal ?

Wagner:Para a engenharia química, este é o principal periódico da nossa disciplina. Isso é especial. É uma abordagem fundamentalmente nova. As pessoas têm feito modelagem de equilíbrio populacional e modelado esses tipos de fluidos empiricamente há muito tempo. Mas as pessoas ainda não estabeleceram a ligação de uma forma que sirva de base para trabalhos futuros.

Fizemos a teoria. Temos os dados experimentais que ajudaram a validar esta ciência fundamental, e há aplicações claras para muitos problemas industriais onde poderá valer a pena tentar esta abordagem.

P:E quanto ao lado humano do trabalho?

Wagner:É interessante pensar nas pessoas envolvidas – principalmente nos alunos e onde eles foram parar depois deste trabalho. Por exemplo, Soham Jarawal, que fez o trabalho de modelagem e baseou sua tese de doutorado neste projeto, está agora na W.L. Gore fazendo modelagem de fluxo sanguíneo. Julie Hipp, uma ex-aluna de pós-graduação, realizou um trabalho premiado de dispersão de nêutrons para medir essas distribuições e tamanhos de partículas sob fluxo em negro de fumo que ajudou a validar esta nova teoria. Hoje ela trabalha na Procter and Gamble. Depois, há Rong Song, que passou um tempo trabalhando com a Chemours na tecnologia de partículas de dióxido de titânio enquanto completava seu mestrado na UD.

Este trabalho é um belo exemplo de como diferentes conhecimentos e colaborações se unem para fazer algo fundamental que pode ser usado para melhorar materiais encontrados em todos os lugares, desde cuidados de saúde até a indústria, até produtos e processos de consumo. É também uma visão dos lugares onde esses colaboradores levam o que aprenderam, sua educação e experiências, e crescem em novas direções fora do UD.

Mais informações: Soham Jariwala et al, Um modelo polidisperso para suspensões elasto-viscoplásticas tixotrópicas de partículas agregadas usando balanços populacionais, AIChE Journal (2023). DOI:10.1002/aic.18184
Fornecido pela Universidade de Delaware