Se você misturar amido de milho e água nas proporções corretas, obterá algo que parece não muito líquido, mas também não muito sólido. Oobleck flui e assenta como um líquido quando intocado, mas endurece quando você tenta pegá-lo ou mexê-lo com uma colher. As propriedades do oobleck e de outros fluidos não newtonianos – incluindo Silly Putty, areia movediça, tinta e iogurte – mudam sob estresse ou pressão, e os cientistas há muito lutam para provar exatamente por quê.



Agora, pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago usaram nanopartículas piezoelétricas, que mudam em resposta à pressão, para investigar a física fundamental de fluidos não newtonianos. A equipe descobriu um papel fundamental para o atrito entre as partículas, fazendo com que os materiais passassem de uma estrutura fluida para uma estrutura mais sólida.

"Isso não apenas responde a questões básicas de longa data sobre as origens físicas desses materiais, mas também abre portas para o projeto de novos fluidos não newtonianos com aplicações práticas, "disse Stuart Rowan, professor de Engenharia Molecular Barry L. MacLean e co -autor sênior do artigo, publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences .

Entre essas aplicações potenciais estão tintas que não grudam, líquidos que endurecem em um molde quando agitados e equipamentos de proteção vestíveis que endurecem quando atingidos.

Sondas piezoelétricas

Uma marca registrada dos fluidos não newtonianos é que sua viscosidade – quão espessos são – muda drasticamente quando os materiais estão sob tensão. Para alguns materiais, isso significa desbaste com tensão. Agitar um frasco de ketchup pode tornar o condimento drasticamente mais fácil de servir; iogurte, maionese e pasta de dente mantêm sua forma em um recipiente, mas tornam-se mais líquidos após o uso.

Mas outros materiais como o oobleck, que é uma suspensão concentrada de partículas, comportam-se exatamente de forma oposta:pode parecer sólido enquanto é manipulado, mas desmorona numa poça quando colocado no chão.

Os cientistas formularam hipóteses sobre a razão pela qual as suspensões de partículas concentradas mudam quando são cortadas – sendo expostas a múltiplas forças que actuam em diferentes direcções. Estas hipóteses referem-se principalmente à forma como as moléculas e partículas que compõem os materiais podem interagir umas com as outras de diferentes maneiras sob diferentes condições – mas cada hipótese é difícil de provar.

"Para entender essas suspensões concentradas de partículas, queremos ser capazes de observar a estrutura em nanoescala, mas as partículas estão tão incrivelmente aglomeradas que a imagem dessas estruturas é muito difícil", explicou o pesquisador de pós-doutorado Hojin Kim, o primeiro autor do novo artigo. .

Para superar esse desafio, Kim colaborou com Rowan, Aaron Esser-Kahn, também professor do PME e especialista em piezoquímica, e Heinrich Jaeger, Sewell Avery Distinguished Service Professor of Physics. A equipe desenvolveu uma técnica que mede a mudança na condutância elétrica com base na força de cisalhamento exercida sobre ela. Em seguida, eles suspenderam a nanopartícula em um líquido em uma concentração tal que exibisse propriedades não newtonianas da mesma forma que o oobleck.

Os pesquisadores aplicaram força de cisalhamento na parte superior e inferior do líquido e mediram simultaneamente as alterações resultantes na viscosidade e nos sinais elétricos. Isso permitiu-lhes determinar como as partículas interagiam à medida que mudavam de um material mais líquido para um material mais sólido.

“Descobrimos que o atrito entre as partículas foi fundamental para esta transição”, disse Kim. “Nesta solução concentrada de partículas, há um ponto de inflexão quando o atrito atinge um certo nível e a viscosidade aumenta abruptamente.”

Uma variedade de aplicações

Compreender as forças físicas em jogo em uma solução concentrada de partículas é um passo para poder projetar novos fluidos não newtonianos em laboratório. Um dia, esses materiais projetados poderão ter propriedades personalizadas que permitirão aos cientistas controlar sua viscosidade através do estresse. Em alguns casos, isto pode traduzir-se em menos aglomeração e entupimento de líquidos como tinta e betão. Em outros casos, pode significar um endurecimento proposital dos materiais quando desejado.

"Para qualquer aplicação, esperamos poder eventualmente determinar a combinação ideal de solventes e partículas e condições de cisalhamento para obter as propriedades que desejamos", disse Kim. "Este artigo pode parecer uma pesquisa muito fundamental, mas na realidade, os fluidos não newtonianos estão por toda parte e, portanto, tem muitas aplicações."

Por enquanto, os pesquisadores da Pritzker Molecular Engineering e da UChicago estão planejando aproveitar a atividade piezoelétrica induzida por estresse de suas suspensões de nanopartículas para projetar novos materiais adaptativos e responsivos que, por exemplo, se tornam mais rígidos sob força mecânica.

Mais informações: Hojin Kim et al, Fricção ativada por estresse em suspensões cisalhadas sondadas com nanopartículas piezoelétricas, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2310088120
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Universidade de Chicago