Ingenieure beschreiben, wie sich flüssige Suspensionen in verschiedenen Maßstäben unterschiedlich verhalten

Honig ist bereits eine dicke Flüssigkeit, aber wenn er zu kristallisieren beginnt, kann er richtig klumpig werden. Die Zuckerkristalle in Suspension scheinen seine Viskosität zu erhöhen. Dieses Phänomen tritt in der gesamten natürlichen und konstruierten Welt auf: Von Schlammlawinen bis hin zu Farbe neigen Suspensionen von Partikeln dazu, sich wie viskose Flüssigkeiten zu verhalten.

Ingenieure nutzen dies zu ihrem Vorteil, indem sie die makroskopischen Eigenschaften einer Suspension basierend auf der Größe und Konzentration ihrer Partikel modellieren. Diese Annäherung bricht jedoch ab einer bestimmten Größenordnung zusammen. Virgile Thiévenaz und Alban Sauret von der UC Santa Barbara versuchten herauszufinden, wann und wie.

Sie entdeckten, dass sich Partikel nicht gleichmäßig ausbreiten, sobald eine Suspension unter eine bestimmte Längenskala fällt, beispielsweise wenn die Flüssigkeit einen Tröpfchenhals bildet. Schließlich wird es einen dünnen Bereich ohne Partikel geben, der sich wie eine reine Flüssigkeit verhält. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Sciencesheben die Grenze der Annäherungen hervor und haben viele potenzielle Anwendungen in industriellen Umgebungen.

Die Viskosität quantifiziert die innere Reibung zwischen Schichten einer Flüssigkeit. In einer viskosen Flüssigkeit übt eine Schicht mehr Widerstand auf ihre Nachbarschicht aus, wodurch eine dickere Flüssigkeit entsteht, die widerstandsfähiger gegen Verformung und Fließen ist. Partikel in einer Suspension verhalten sich ähnlich. Es ist wahrscheinlicher, dass sich ein Partikel bewegt, wenn sich seine Nachbarn bewegen, was die effektive Viskosität der Flüssigkeit erhöht. Höhere Konzentrationen bringen Partikel näher zusammen und verstärken die Wirkung. „Solange man die Suspension also aus der Ferne betrachtet, ist sie nur eine zähflüssigere Flüssigkeit“, erklärt Thiévenaz, Postdoktorand am Fachbereich Maschinenbau.

In Tröpfchenexperimenten beobachteten Thiévenaz und Sauret, dass sich Suspensionen wie eine viskose Flüssigkeit bis zu einer bestimmten Dicke ausdehnen, wonach es möglich wird, die Partikel voneinander wegzuziehen. Dadurch entstehen Regionen mit unterschiedlichen Konzentrationen, die sich unterschiedlich verhalten. Schließlich enthält eine Region keine Partikel mehr und verhält sich wie eine reine Flüssigkeit. Danach vereinfacht sich die effektive Viskosität auf die der reinen Flüssigkeit.

Ingenieure haben viele Daten zusammengestellt, um die effektive Viskosität von Suspensionen mit Partikelgröße und -konzentration in großem Maßstab zu kalibrieren. Die Herausforderung von Thiévenaz und Sauret bestand darin, herauszufinden, in welchem ​​Maßstab die Annäherungen, die klassischerweise zur Modellierung von Aufhängungen verwendet wurden, sich aufzulösen begannen.

Mit mehr Experimenten stellten die Autoren fest, dass dieser Schwellenwert auch mit der Partikelgröße und -konzentration variiert. Eine Suspension verändert sich von einer viskosen Flüssigkeit zu einem Verhalten eher wie eine heterogene Mischung bei Maßstäben, die der Größe der Partikel entsprechen.

Interessanterweise scheinen kleinere Partikel eine proportional stärkere Wirkung zu haben. „Im Verhältnis zur Partikelgröße ist die Schwelle für kleine Partikel bei einer bestimmten Konzentration viel größer“, sagte Sauret, Assistenzprofessor für Maschinenbau.

Beispielsweise kann sich eine Suspension mit einer 30%igen Konzentration von 140-Mikrometer-Partikeln bis zu Skalen von 600 um oder etwa dem Vierfachen des Partikeldurchmessers glatt verhalten. Aber eine Suspension mit 20-µm-Partikeln bei gleicher Konzentration kann diesen Effekt bis hinunter zu 250 µm zeigen: ein insgesamt kleinerer Maßstab, aber mehr als das 12-fache des Partikeldurchmessers.

Die Vorhersage des Verhaltens einer Aufhängung hat wichtige Anwendungen in der Fertigung. Ein Prozess kann die Manipulation von Filmen oder die Erzeugung winziger Tröpfchen erfordern, und Techniker müssen in der Lage sein, die Eigenschaften dieser Systeme vorherzusagen. Bei tauchbeschichteten Teilen kann die richtige Handhabung der Partikel in einem Film den Unterschied zwischen einem fertigen Produkt und einem absoluten Durcheinander ausmachen, erklärte Sauret.

Die Sprühbeschichtung veranschaulicht dieses Phänomen noch deutlicher. Eine reine Flüssigkeit, wie ein Lack, verhält sich beim Sprühbeschichten eines Produkts anders als eine Suspension, wie eine Farbe. Im Vergleich zu einer reinen Flüssigkeit mit der gleichen effektiven Viskosität bricht eine Suspension früher mit weniger, größeren Tröpfchen auf. Die nächste Aufgabe der Forscher besteht darin, zu bestimmen, wie Anzahl und Größe der Tröpfchen von Parametern wie Geschwindigkeit, Partikelkonzentration und Partikelgröße abhängen.

Die Annäherung von Suspensionen als viskose Flüssigkeiten funktioniert gut, aber nur bei bestimmten Maßstäben. „Irgendwann wird das scheitern“, sagte Sauret. „Und wir müssen sagen können: ‚Zu diesem Zeitpunkt können Sie diesen Ansatz nicht verwenden, und Sie müssen stattdessen eine andere Methode verwenden.’“