O que pintar, detergente para máquina de lavar louça, ketchup e sangue têm em comum? Todos são compostos de partículas suspensas em um líquido transportador, fluir quando agitado ou forçado, mas permaneça espesso ou mesmo gelatinoso em repouso.

Esse comportamento muito útil em fluidos complexos é chamado de diluição por cisalhamento:sua viscosidade diminui durante a mistura e aumenta em repouso. Mas certos fluidos, quando a velocidade de mistura aumenta - conforme necessário em muitos processos industriais de grande escala - pode passar pela região de diluição por cisalhamento e se mover para uma região onde a viscosidade aumenta dramaticamente, e esses fluidos se tornam difíceis ou impossíveis de mexer. Este efeito, conhecido como espessamento por cisalhamento, vem sendo investigado há várias décadas, à medida que engenheiros buscavam resolver problemas complexos de produção causados ​​pelo fenômeno.

No final dos anos 1980, o cientista Richard L. Hoffman propôs um modelo simples:quando os fluidos são misturados em baixas velocidades, as partículas suspensas formam camadas ordenadas que podem deslizar facilmente umas sobre as outras, facilitando o fluxo. Mas quando exposto a altas velocidades, as camadas ficam desordenadas e tropeçam umas nas outras, dificultando o fluxo; essa mudança no tipo de fluxo é chamada de "transição da ordem para a desordem". É um pouco como uma multidão desordenada, empurrando e arrastando os pés por uma saída congestionada.

Outros pesquisadores foram capazes de observar esse comportamento em muitos fluidos, mas não em todos os fluidos de espessamento. Então, os cientistas propuseram vários outros modelos para explicar o fenômeno de espessamento por cisalhamento, mas nenhum deles aborda o modelo de Hoffman.

"Então o quebra-cabeça permanece, como a ordem para desordem de partículas está relacionada ao comportamento de espessamento por cisalhamento? Por que isso acontece apenas em certos fluidos complexos? "Disse Xiao-Min Lin, nanocientista do Centro de Materiais em nanoescala do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Agora, uma equipe de nanocientistas e físicos de Argonne desvendou esse mistério de 30 anos ao estudar um fluido de espessamento por cisalhamento com caracterização de raios-X in situ.

"Combinando um reômetro, que mede a viscosidade do líquido, com a caracterização de raios-X cria um instrumento único que pode entender a estrutura das partículas quando elas se movem em tempo real, "disse Suresh Narayanan, outro cientista-chefe do projeto e físico do Time Resolved Research Group na divisão de raios-X de Argonne.

A equipe sempre suspeitou que a uniformidade das partículas pode desempenhar um papel neste fenômeno. Então Jonghun Lee, o bolsista líder de pós-doutorado neste projeto, sintetizou nanopartículas de sílica altamente uniformes de três diâmetros diferentes. Usando uma técnica específica de espalhamento de raios X de pequeno ângulo (SAXS) ultra-sensível na Fonte Avançada de Fótons (APS) de Argonne, Lin, Narayanan e sua equipe - agora com outros membros do Time Resolved Research Group - mediram como as nanopartículas fluíam em resposta a uma força aplicada em tempo real.

O esforço do grupo foi recompensado. As suspensões altamente uniformes criadas pela equipe permitiram a separação dos dois fenômenos:transição ordem-desordem e espessamento normal por cisalhamento. Até agora, eles foram indistinguíveis em outros experimentos. Os dados capturados in situ provaram que a transição ordem-desordem descoberta na década de 1980 ocorre em regiões de menor estresse e o espessamento de cisalhamento constante ocorre em regiões de maior estresse. Em outras palavras, esses comportamentos são impulsionados por dois mecanismos independentes.

"Mas quando você tem partículas não uniformes, esses dois comportamentos colapsam na mesma região, tornando-os indistinguíveis, "Lee disse.

A equipe agora busca entender o mecanismo que realmente contribui para o espessamento por cisalhamento. Esses estudos podem levar a aplicações em impressão tridimensional, a indústria química e o campo biomédico.

Este trabalho, intitulado "Desvendando o papel da transição da ordem para a desordem em suspensões de espessamento por cisalhamento, "foi publicado em uma edição de janeiro da Cartas de revisão física .