Несмотря на то, что производители мало знают об их текучести, производители добавляют эти жидкости во многие различные типы повседневных продуктов. Без вязкоупругих жидкостей жизнь была бы совсем другой. Мы не сможем насладиться ни насыщенной пеной шампуней, ни жевательной текстурой мармеладных конфет, ни упругим комфортом хорошо скроенной спортивной обуви.
Чтобы больше узнать об этих жидкостях, исследователи из отдела микро / био / нанофлюидики Окинавского института науки и технологий (OIST) изучают свойства текучести и поведение различных вязкоупругих жидкостей. Проф. Эми Шен, лидер отряда, и доктор.
Саймон Хавард, руководитель группы, исследует два конкретных типа жидкостей, обычно используемых в промышленных продуктах: растворы полимеров и растворы «живого полимера».
Полимеры — это длинные молекулы, состоящие из повторяющихся субъединиц. Полимерные растворы имеют широкий спектр применения, в частности, при приготовлении пищевых продуктов, красок, красок и даже протезных жидкостей, таких как глазные капли и искусственная слюна. Во время потока эти длинные молекулы полимера могут растягиваться, как резиновые ленты, что придает жидкости эластичность.
В совместном исследовании с исследователем Массачусетского технологического института профессором Гаретом МакКинли, Шен и Хавард наблюдали за схемами течения ряда вязкоупругих полимерных растворов через 4-стороннее соединение. Используя метод, называемый двулучепреломлением, индуцированным потоком, они показали, что по мере увеличения скорости потока через соединение молекулы полимера сильно растягиваются в узкой нити, проходящей через центр соединения. Двулучепреломление, вызванное потоком, вызвано небольшими измеримыми изменениями преломления света, проходящего через жидкость, когда она течет.
Эти изменения преломления света напрямую связаны с упругими напряжениями в текущей жидкости. Исследователи обнаружили, что сильная эластичность двулучепреломляющей нити вызвала серьезные искажения наблюдаемых структур потока. Дальнейшее увеличение скорости потока привело к появлению больших колебаний или нестабильности в структуре потока.
Эти эксперименты позволили исследователям показать, что механизм возникновения нестабильности в этом растягивающем потоке согласуется с механизмом возникновения вязкоупругой неустойчивости в других, более простых типах потоков. Например, в изогнутой трубе начало нестабильности можно довольно хорошо спрогнозировать в зависимости от точных геометрических условий и свойств жидкости. Однако до сих пор никогда не было показано, что аналогичные прогнозы могут быть применены к растягивающимся потокам.
Многие промышленные процессы, такие как экструзия, прядение волокон и струйная печать, включают растягивающие потоки вязкоупругих жидкостей.
Нестабильность потока обычно пагубно сказывается на качестве конечной продукции и, таким образом, напрямую ограничивает скорость, с которой могут выполняться такие процессы. Способность прогнозировать возникновение нестабильности в таких потоках может помочь в оптимизации скорости обработки и получении конечных продуктов превосходного качества. Результаты исследования опубликованы в открытом доступе журнала Nature Publishing Scientific Reports.
Подразделение Micro / Bio / Nanofluidics также изучает поток «живых полимеров».
Подобно полимерам, эти материалы образуют длинные цепи из нескольких повторяющихся звеньев, но в отличие от полимеров, эти звенья не связаны друг с другом химически, а зависят от других сил для сцепления. Червеобразные мицеллы (WLM), тип «живого полимера», образуют длинные стержневидные агрегаты, взвешенные в растворе. Как и полимеры, эти материалы находят множество промышленных применений, в том числе в качестве добавок к шампуням и косметике, а также в качестве материалов для повышения нефте- и газоотдачи (EOR).
Растворы WLM закачиваются в сланцы во время гидроразрыва пласта, чтобы извлечь больше нефти и газа из этих подземных горных пород.
Растворы изначально густые и гелеобразные, что позволяет им создавать высокие давления и разрушать сланец. Однако, когда они вступают в контакт с углеводородами, мицеллы разбираются, позволяя раствору вести себя больше как вода и легко вытекать из породы.
Эти сланцевые образования содержат множество препятствий, которые изменяют поток растворов внутри. Проф. Шен решил использовать упрощенную модель для изучения схемы потока решений WLM при наличии засора.
Доктор. Я Чжао, бывший аспирант проф. Шен из Вашингтонского университета построила микромасштабный канал, в котором она могла наблюдать поток растворов WLM вокруг цилиндра, действующего как препятствие на пути потока.
Затем она сравнила схемы течения ньютоновской жидкости и раствора WLM, наблюдая за полосами, образованными флуоресцентными частицами индикатора. Она также измерила рост напряжений в растворе WLM, используя индуцированное потоком двулучепреломление.
Определение того, как эти материалы текут, жизненно важно для оптимизации их применения. Эти материалы присутствуют в широком спектре продуктов и используются во многих промышленных процессах, поэтому их оптимизация является приоритетом для производителей.
Определение их текучести — еще один шаг к раскрытию полного потенциала этих продуктов.