Las nuevas imágenes permiten predecir mejor el engrosamiento por cizallamiento
Es relevante para todo, desde el petróleo y el gas hasta la fabricación de productos farmacéuticos, el procesamiento de alimentos y la fabricación de productos químicos
Por primera vez, los investigadores han podido captar imágenes que proporcionan detalles sin precedentes sobre el comportamiento de las partículas en una suspensión líquida cuando se produce el fenómeno conocido como espesamiento por cizallamiento. El trabajo permite comprender directamente los procesos que subyacen al espesamiento por cizallamiento, que hasta ahora sólo se habían entendido a partir de inferencias y modelos computacionales.
Por primera vez, los investigadores han podido captar imágenes que proporcionan detalles sin precedentes sobre el comportamiento de las partículas en una suspensión líquida cuando se produce el fenómeno conocido como espesamiento por cizallamiento. El trabajo permite comprender directamente los procesos que subyacen al engrosamiento por cizallamiento, que hasta ahora sólo se habían entendido a partir de inferencias y modelos computacionales. Estas representaciones de imágenes microscópicas obtenidas con el reómetro confocal, muestran las intrincadas arquitecturas de red formadas por partículas lisas (arriba) y rugosas (abajo) en suspensiones con fuerte espesamiento por cizallamiento. Las partículas agrupadas han sido recortadas del centro de cada imagen y sustituidas por líneas azules que ilustran la naturaleza de las redes formadas entre las partículas.
Lilian Hsiao, NC State University
El espesamiento por cizallamiento es un fenómeno que puede producirse cuando las partículas están suspendidas en una solución de baja viscosidad. Si la concentración de partículas es lo suficientemente alta, cuando se aplica una tensión a la solución, ésta se vuelve muy viscosa y se comporta como un sólido. Cuando se elimina la tensión o se disipa, la suspensión vuelve a su viscosidad normal de fluido. Este fenómeno puede verse en los populares vídeos de YouTube en los que la gente es capaz de correr por una solución de almidón de maíz suspendida en agua, pero se hunde en la solución cuando se queda quieta.
El espesamiento por cizallamiento puede ser un inconveniente o una ventaja, según el contexto.
Por ejemplo, en industrias que van desde el procesamiento de alimentos hasta la fabricación de productos farmacéuticos, las empresas suelen intentar bombear líquidos con altas concentraciones de partículas para que los procesos de fabricación sean más eficaces y rentables. Y si esas empresas no tienen en cuenta el espesamiento por cizallamiento, los líquidos que se bombean pueden atascarse u obstruirse, lo que les cuesta un tiempo valioso y puede dañar sus equipos.
Por otra parte, las propiedades del espesamiento por cizallamiento también pueden utilizarse para desarrollar materiales que absorban la fuerza para su uso en aplicaciones como el blindaje corporal, o como mecanismo para controlar las características físicas de los dispositivos robóticos blandos.
Por estos motivos, los investigadores llevan años intentando comprender con precisión cómo y por qué se produce el engrosamiento por cizallamiento. Sin embargo, los investigadores se han visto obligados a recurrir a la experimentación indirecta, ya que no han podido captar el comportamiento preciso de las partículas en solución cuando se produce el espesamiento por cizallamiento. Hasta ahora.
Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y de la Universidad del Noreste utilizó un instrumento adaptado, denominado reómetro confocal, para captar imágenes microscópicas de las partículas en solución mientras se las exponía a la tensión para provocar el engrosamiento por cizallamiento. Se utilizaron simulaciones por ordenador para apoyar las observaciones experimentales.
"A medida que aumentaba la tensión, pudimos ver cómo se formaban redes complejas entre las partículas", dice Lilian Hsiao, autora correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesora adjunta de ingeniería química y biomolecular en NC State. "Y las formas de estas redes dependían de la forma y la rugosidad de las partículas. En concreto, la forma en que las partículas vecinas se reorganizan cuando se aplica la tensión dicta la forma en que se engrosan por cizallamiento.
"Entender estas correlaciones entre la rugosidad de las partículas, las partículas a gran escala y el engrosamiento por cizallamiento nos permite predecir mejor el comportamiento de engrosamiento por cizallamiento de las suspensiones".
En concreto, el equipo de investigación desarrolló una forma de predecir con mayor precisión la cantidad de tensión que puede aplicarse a una determinada concentración de partículas antes de que una suspensión comience a experimentar un espesamiento por cizallamiento -así como la viscosidad que adquirirá la solución- basándose en la rugosidad de las partículas. La rugosidad de las partículas es importante porque sus interacciones superficiales dictan la intensidad con la que las partículas pueden empaquetarse, o "atascarse", en la suspensión antes de volverse efectivamente sólidas.
"Para las aplicaciones prácticas, la gente no necesitará capturar sus propias imágenes de microscopía de lo que ocurre durante el proceso de espesamiento por cizallamiento", dice Hsiao. "Si conocen la rugosidad de las partículas que tienen en solución, podrán determinar qué concentraciones funcionarán para sus diversas aplicaciones".
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