Fluidos como a água são newtonianos, e seu comportamento viscoso é bem compreendido. Contudo, muitos fluidos comuns são "viscoelásticos". Esses fluidos, como aqueles comumente encontrados em cosméticos, sabonetes e tintas, possuem uma combinação de viscoso, como líquido e elástico, propriedades sólidas e sabemos surpreendentemente pouco sobre como elas fluem.

Apesar de não saber muito sobre suas propriedades de fluxo, os fabricantes adicionam esses fluidos a muitos tipos diferentes de produtos de uso diário. Sem fluidos viscoelásticos, a vida seria muito diferente. Não seríamos capazes de desfrutar da rica espuma dos xampus, nem a textura em borracha de um doce de goma, nem o conforto elástico de um tênis esportivo bem construído.

Para entender mais sobre esses fluidos, pesquisadores da Unidade de Micro / Bio / Nanofluídica da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) estudam as propriedades de fluxo e o comportamento de diferentes fluidos viscoelásticos. Prof. Amy Shen, líder da unidade, e Dr. Simon Haward, o líder do grupo da unidade, estão investigando dois tipos específicos de líquidos comumente usados ​​em produtos manufaturados:soluções de polímero e soluções de 'polímero vivo'.

Os polímeros são moléculas longas compostas de subunidades repetidas. As soluções poliméricas têm uma ampla gama de aplicações, particularmente na formulação de alimentos, tintas, tintas e até fluidos protéticos, como colírios e saliva artificial. Durante o fluxo, essas longas moléculas de polímero podem se esticar como elásticos, que dão ao fluido sua elasticidade.

Em um estudo colaborativo com o pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Professor Gareth McKinley, Shen e Haward observaram os padrões de fluxo de uma série de soluções de polímero viscoelástico por meio de uma junção de 4 vias (Figura 1). Usando uma técnica chamada birrefringência induzida por fluxo, eles mostraram que à medida que a taxa de fluxo através da junção aumentava, as moléculas de polímero tornaram-se altamente esticadas em uma fita estreita que passa pelo centro da junção. A birrefringência induzida por fluxo é causada por pequenas mudanças mensuráveis ​​na refração da luz que passa através de um líquido quando ele é feito fluir. Essas mudanças na refração da luz se correlacionam diretamente com as tensões elásticas no fluido que flui. Os pesquisadores descobriram que a forte elasticidade dentro da fita birrefringente causou distorções graves nos padrões de fluxo observados. O aumento da taxa de fluxo levou ainda mais ao início de grandes flutuações ou instabilidades nos padrões de fluxo.

Esses experimentos permitiram aos pesquisadores mostrar que o mecanismo para o início da instabilidade neste fluxo de alongamento é consistente com o das instabilidades viscoelásticas em outros. tipos de fluxos mais simples. Em um tubo curvo, por exemplo, o início da instabilidade pode ser muito bem previsto, dependendo das condições geométricas precisas e das propriedades do fluido. Contudo, até agora, nunca foi demonstrado que previsões semelhantes podem ser aplicadas a fluxos de alongamento.

Muitos processos industriais, como extrusão, impressão a jato de tinta e fiação de fibra, envolvem o alongamento dos fluxos de fluidos viscoelásticos. As instabilidades de fluxo geralmente têm um efeito prejudicial na qualidade dos produtos finais e, portanto, limitam diretamente as taxas nas quais esses processos podem ser realizados. A capacidade de prever o início de instabilidades em tais fluxos pode auxiliar na otimização das taxas de processamento e obtenção de produtos finais superiores. Os resultados do estudo são publicados na revista Nature Publishing de acesso aberto Relatórios Científicos .

A Unidade Micro / Bio / Nanofluídica também estuda o fluxo de 'polímeros vivos'. Como polímeros, esses materiais formam longas cadeias de várias unidades repetidas, mas ao contrário dos polímeros, essas unidades não são quimicamente ligadas, mas confie em outras forças para coesão. Micelas semelhantes a vermes (WLM), um tipo de 'polímero vivo', formulário longo, agregados em forma de bastão suspensos em uma solução. Tal como acontece com os polímeros, esses materiais têm inúmeras aplicações industriais, inclusive como aditivos em xampus e cosméticos e como materiais para aprimorar a recuperação de óleo e gás (EOR).

As soluções WLM são bombeadas para o xisto durante o fracking para extrair mais petróleo e gás dessas formações rochosas subterrâneas. As soluções são inicialmente espessas e semelhantes a gel, o que lhes permite gerar altas pressões e fraturar o xisto. Contudo, quando eles entram em contato com os hidrocarbonetos, as micelas se desmontam, permitindo que a solução se comporte mais como água e flua facilmente para fora da rocha.

Essas formações de xisto contêm muitas obstruções que alteram o fluxo de soluções em seu interior. O Prof. Shen decidiu usar um modelo simplificado para estudar o padrão de fluxo das soluções WLM quando um bloqueio está presente. Dr. Ya Zhao, um ex-aluno de graduação do Prof. Shen na Universidade de Washington, construiu um canal em microescala no qual ela poderia observar o fluxo de soluções WLM ao redor de um cilindro atuando como uma obstrução no caminho do fluxo. Ela então comparou os padrões de fluxo de um fluido newtoniano e uma solução WLM, observando as estrias formadas por partículas marcadoras fluorescentes. Ela também mediu o crescimento de tensões na solução WLM usando birrefringência induzida por fluxo.

Determinar como esses materiais fluem é de vital importância na otimização de suas aplicações. Esses materiais existem em uma ampla variedade de produtos e são explorados em muitos processos industriais, tornando sua otimização uma prioridade para os fabricantes. Determinar o comportamento do fluxo é um passo mais perto de atingir o potencial total desses produtos.