Lacquers, peinture, béton – et même ketchup ou jus d'orange: les suspensions sont répandues dans l'industrie et la vie quotidienne. Par une suspension, les scientifiques des matériaux signifient un liquide dans lequel des particules solides minuscules et insolubles sont réparties uniformément. Si la concentration de particules dans un tel mélange est très élevée, des phénomènes peuvent être observés qui contredisent notre compréhension quotidienne d'un liquide. Par exemple, ces soi-disant liquides non newtoniens deviennent soudainement plus visqueux lorsqu'une force forte agit sur eux. Pendant un bref instant, le liquide se comporte comme un solide.
Cet épaississement soudain est causé par les particules présentes dans la suspension. Si la suspension est déformée, les particules doivent se réorganiser. Du point de vue de l'énergie, il est plus avantageux s'ils se déroulent les uns des autres chaque fois que possible. Ce n'est que lorsque cela n'est plus possible, par exemple, car plusieurs particules se coincent, qu'elles doivent glisser les uns par rapport aux autres. Cependant, le glissement nécessite beaucoup plus de force et donc le liquide se sent macroscopiquement plus visqueux.
Les interactions qui se produisent à une petite échelle microscopiquement affectent donc l'ensemble du système et déterminent comment une suspension circule. Pour optimiser la suspension et influencer spécifiquement ses caractéristiques d'écoulement, les scientifiques doivent donc comprendre l'ampleur des forces de friction entre les particules individuelles.
Qu'est-ce que les scientifiques ont étudié?
Des chercheurs en matériaux d'ETH dirigés par Lucio Isa, professeur d'interfaces et de matière douce, ont développé une méthode de mesure des forces de frottement entre les particules individuelles que quelques micromètres de diamètre. L'œuvre est publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
Les chercheurs ont utilisé un microscope soi-disant à force atomique pour leurs mesures. L'étudiant doctoral Simon Scherrer a d'abord développé un support microscopiquement petit, qui sert à capturer une seule particule sphérique. Ensuite, ils déplacent ça « piégé » Particule sur une surface plane avec les mêmes caractéristiques que la particule, en utilisant le microscope à force atomique. De cette façon, les chercheurs ont pu imiter deux particules se déplaçant les uns contre les autres et mesurer les minuscules forces entre les surfaces.
Pourquoi est-ce si crucial?
Les particules examinées sont minuscules – à peine 12 micromètres, c'est-à-dire 12 millions de mètres, de diamètre. Il était difficile de développer une technique de mesure appropriée pour mesurer le frottement de roulement se produisant sur la particule. Faire un titulaire approprié s'est avéré particulièrement difficile. « J'ai dû développer 50 versions jusqu'à ce que j'en trouve une qui répondait aux exigences, » Scherrer révèle.
Les chercheurs ont fait différentes particules afin de comprendre comment la surface des minuscules particules affecte le comportement de la suspension. « Des particules avec une surface lisse ou très glissante se sont simplement glissées, quelle que soit la fermeture de la fermeture ensemble, » Scherrer explique.
La situation avec des particules rugueuses ou collantes était très différente, car ces particules s'engagent entre elles comme des roues de vitesses et roulent avec peu de résistance. Enfin, les chercheurs ont fixé les particules du support afin de mesurer leur friction coulissante. Cette friction est beaucoup plus élevée que le frottement roulant et explique l'épaississement spectaculaire des suspensions.
À quoi cela sert-il?
Les chercheurs ont pu dériver les coefficients de la frottement de roulement et de glissement des particules respectives directement à partir de leurs mesures. Ces chiffres peuvent être utilisés dans des modèles informatiques pour simuler les suspensions avec une fraction élevée de particules, par exemple, et ainsi pour déterminer les caractéristiques de flux optimales. Ces informations sur les mécanismes microscopiques qui sont la cause profonde de l'épaississement ouvrent de nouvelles approches pour optimiser les suspensions pour des applications dans l'industrie, la construction ou la vie quotidienne.
Entre autres, les bénéficiaires pourraient inclure l'industrie du béton ou les fabricants de microélectronique. Ces derniers utilisent déjà des suspensions denses avec des particules conductrices métalliques afin de souder des composants aux circuits imprimés. La pâte de soudure est pressée à travers des buses étroites. Si la pression est trop grande, la pâte peut soudainement épaissir et obstruer la buse.
« Afin d'empêcher ce comportement et d'optimiser de telles suspensions, nous devons savoir précisément comment les particules se comportent à l'échelle microscopique et quelles forces se produisent dans le processus, » Dit Isa.
