Você já se perguntou por que precisa agitar sua garrafa de ketchup ou mostarda antes de servir? Ou porque, para sair da areia movediça, você deve se mover lentamente? Ou porque você pode correr na superfície de uma suspensão de amido de milho na água, mas você afundaria se tentasse andar sobre ele?

A característica comum de todos esses enigmas são os fluidos não newtonianos, cujas propriedades mecânicas mudam dependendo do nível e tipo de força aplicada a eles. Eles são encontrados o tempo todo na vida diária, mas a maioria das pessoas não sabe o quão altamente engenheiradas elas podem ser, com partículas cuidadosamente formuladas, polímeros e outros aditivos para dar-lhes o comportamento de fluxo desejado.

“Para projetar esses fluidos, você precisa entender essas mesmas propriedades do ponto de vista do aplicativo e do processamento, "disse Matthew Helgeson, professor do Departamento de Engenharia Química da UC Santa Bárbara. "Por exemplo, condimentos são projetados para serem grossos, para que você possa tirá-los da garrafa e espalhá-los no seu sanduíche sem correr para todo lado, mas ao mesmo tempo eles precisam ser capazes de ser misturados e engarrafados rapidamente quando feitos na fábrica. "

Apesar de seu uso onipresente, esses e outros fluidos complexos são desafiadores de engenharia porque as relações entre o comportamento microscópico e as propriedades de fluxo são difíceis de observar, disse Helgeson. Em um nível macroscópico, é fácil ver como o material responde ao estresse, mas o que acontece estruturalmente quando reage à força permanece um mistério.

Contudo, esse dilema da engenharia está prestes a mudar. Em uma parceria com a fabricante austríaca de instrumentação de laboratório Anton Paar, O laboratório de Helgeson desenvolveu novos métodos de medição para um especialista, reômetro de última geração que não apenas permite aos pesquisadores caracterizar o comportamento mecânico de líquidos não newtonianos e matéria mole, mas também para testemunhar no nível microscópico como o fluido e as estruturas fluem e se deformam em resposta ao estresse. O conhecimento gerado por este tipo de instrumentação terá amplas aplicações na pesquisa acadêmica e industrial.

Um reômetro típico geralmente consiste em duas superfícies móveis, como cilindros concêntricos, que giram para causar a deformação do fluido. Ao medir a força necessária para girar os cilindros, é possível determinar as propriedades mecânicas do fluido. Geralmente é impossível ver o fluxo nessas geometrias, e assim, presume-se que a quantidade de deformação no fluido entre as superfícies é a mesma em todos os lugares, como é o caso de um líquido newtoniano como a água.

Não é assim com muitos fluidos não newtonianos, de acordo com Helgeson.

"Fica muito mais complicado, "ele disse." Normalmente o que acontece é que você obtém uma pequena região que cede para que esteja fluindo, e todo o resto fica parado ou se movendo muito lentamente. "Mais força nem sempre é igual a mais fluxo, ele adicionou, até que a região produzida cresça para preencher o volume do fluido.

"Essa transição de não fluir para fluir é importante para uma ampla gama de fluidos complexos, "disse Helgeson. E os detalhes do fluxo neste processo, ele explicou, são frequentemente inacessíveis a reômetros, que normalmente são apenas sensíveis ao fluido que flui diretamente nas superfícies.

"Um dos avanços dessa instrumentação que desenvolvemos com a Anton Paar é a capacidade de visualizar diretamente o que está acontecendo no fluxo, "Helgeson disse. Com a ajuda de óptica de laser e partículas de dispersão de luz, os pesquisadores serão capazes de rastrear a deformação do fluido e usá-la para entender o que está acontecendo na microestrutura do fluido.

"Se você quiser projetar esses fluidos, você realmente precisa ser capaz de caracterizar o que está acontecendo no fluxo para causar a resposta macroscópica que você mede, " ele disse.

À medida que os métodos e materiais de fabricação se tornam mais sofisticados, esse conhecimento se tornará essencial. Por exemplo, ser capaz de usar novos e diferentes tipos de materiais para impressoras 3D e manufatura aditiva, as tintas coloidais e poliméricas usadas precisam ser capazes de fluir pelo bico com facilidade, embora endureçam perfeitamente para atingir a estrutura desejada.

De acordo com Helgeson, a parceria com a Anton Paar é incomum, já que os pesquisadores da UCSB estão participando da criação de novos métodos de instrumentação e medição antes de se tornarem disponíveis comercialmente.

"Nesse sentido, a parceria é realmente uma via de mão dupla, "disse ele." O novo reômetro nos fornece recursos de medição de última geração, e, ao mesmo tempo, fornecemos novas ferramentas e análises que outras pessoas da comunidade científica e industrial podem usar. "

Polímeros, por exemplo, como os usados ​​em monitores, fotovoltaica orgânica e eletrônica flexível, precisam ter arranjos moleculares e atômicos perfeitos para serem eficazes, portanto, as técnicas de fabricação que envolvem fluxo devem ser aprimoradas para obter melhor desempenho e menor custo.

"Você coloca esses polímeros em todos os tipos de extrusão, processos de injeção e revestimento, que têm o potencial de produzir defeitos no material que vêm de instabilidades de fluxo, "Helgeson disse. As novas ferramentas de reômetro que Helgeson e Anton Paar estão desenvolvendo em conjunto permitirão uma medição mais direta dessas instabilidades.

"Essa é realmente a razão desta parceria e do novo instrumento:ser capaz de não apenas criar novas técnicas, mas também direciona seu uso e compreensão para resolver alguns desses problemas, " ele explicou.