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The Role of Hydrogen Bridging Bonds in the Shear-Thickening and Jamming of Dense Suspensions

Este estudio demuestra que el comportamiento de engrosamiento por cizalla y atascamiento de suspensiones densas de maicena puede controlarse sistemáticamente ajustando la estructura molecular del disolvente para modular los puentes de hidrógeno, revelando una transición abrupta desde un fuerte engrosamiento por cizalla en agua y etilenglicol hasta adelgazamiento por cizalla en dioles de cadena más larga.

Autores originales: Hojin Kim, Samantha M. Livermore, Yongjin Shin, Heinrich M. Jaeger

Publicado 2026-05-15

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CC BY 4.0

Autores originales: Hojin Kim, Samantha M. Livermore, Yongjin Shin, Heinrich M. Jaeger

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que tienes un cubo de arena húmeda. Si la remueves lentamente, fluye como un líquido. Pero si la golpeas con fuerza o la agitas violentamente, de repente se convierte en un bloque sólido que no puedes mover. Este comportamiento extraño se llama engrosamiento por cizalla, y es lo que ocurre en suspensiones densas como la maicena mezclada con agua (a menudo llamada "oobleck").

Este artículo investiga por qué sucede esto y, lo que es más importante, cómo podemos controlarlo cambiando el líquido con el que mezclamos la maicena. Los investigadores descubrieron que los pequeños "apretones de mano" químicos entre las moléculas del líquido y las partículas de maicena son el secreto.

Aquí está la historia de su descubrimiento, desglosada en conceptos simples:

1. Las Dos Caras del Líquido

Los investigadores utilizaron partículas de maicena como la parte "sólida". Para la parte "líquida", no solo usaron agua. Usaron una familia de líquidos llamada dioles (alcoholes con dos extremos). Imagina estas moléculas como pequeñas pesas con manos pegajosas (grupos hidroxilo) en ambos extremos.

Probaron cuatro líquidos:

Agua: La molécula más corta.
Etilenglicol: Una molécula ligeramente más larga (2 átomos de carbono).
Propanodiol: Una molécula de longitud media (3 átomos de carbono).
Butanodiol: La molécula más larga del grupo (4 átomos de carbono).

2. El Efecto "Velcro"

La idea central se trata del Enlace de Hidrógeno. Imagina que las partículas de maicena están cubiertas de ganchos de velcro. Las moléculas del líquido son los bucles peludos.

En reposo (Baja tensión): Las moléculas del líquido envuelven la maicena como una manta protectora. Esto mantiene las partículas separadas, evitando que se peguen entre sí. Es como un campo de fuerza que impide que los granos de arena se agrupen.
Bajo tensión (Alta tensión): Cuando agitas o tiras de la mezcla con fuerza, aprietas las partículas tan juntas que las moléculas del líquido son empujadas fuera del camino. De repente, los "ganchos" de una partícula pueden agarrar los "bucles" del vecino. Esto crea un puente molecular.

Estos puentes actúan como velcro molecular. Cuando se forman, las partículas se bloquean entre sí, creando fricción. Esta fricción es lo que convierte el líquido en un sólido (atasco).

3. El Giro: La Longitud Importa

Los investigadores esperaban que, dado que todos estos líquidos tenían "manos pegajosas" en ambos extremos, se comportaran de manera similar. Se equivocaron. La longitud de la molécula lo cambió todo.

Moléculas Cortas (Agua y Etilenglicol): Estas moléculas son cortas y rígidas. Son excelentes formando esas mantas protectoras en reposo. Pero cuando se las aprieta, se colocan rápidamente para formar puentes fuertes.
- Resultado: La mezcla se vuelve muy espesa y dura muy rápidamente cuando la agitas. Se comporta como un "oobleck" clásico.
Moléculas Largas (Propanodiol y Butanodiol): Aquí está la sorpresa. Estas moléculas más largas son tan flexibles que prefieren darse la mano entre sí en lugar de extenderse hacia la maicena.
- La Analogía: Imagina un grupo de personas en una fiesta. Las personas bajas (Agua) están ocupadas estrechando la mano con el anfitrión (Maicena). Las personas altas (Dioles Largos) están tan ocupadas abrazándose entre sí en la esquina (formando "dímeros" o anillos) que ignoran al anfitrión.
- Resultado: Como están ocupadas abrazándose entre sí, no forman una buena manta protectora alrededor de la maicena. Las partículas se agrupan incluso antes de empezar a agitar. Cuando sí agitas, los puentes que se forman son largos, flojos y débiles. En lugar de convertirse en un sólido duro, la mezcla simplemente fluye como una pasta espesa y pegajosa que se vuelve más fina a medida que la agitas (adelgazamiento por cizalla).

4. La "Prueba de Tirones" (Rompiendo el Sólido)

Para ver qué tan fuerte era realmente el estado "sólido", los investigadores no solo agitaron la mezcla; intentaron tirar de ella. Sumergieron una varilla en la mezcla y la arrancaron hacia arriba rápidamente.

Con Agua/Líquidos Cortos: La mezcla se convirtió en un sólido duro y frágil. Cuando la tiraron, se rompió como un trozo de arcilla seca. Se fracturó limpiamente.
Con Líquidos Largos: La mezcla no se rompió. En su lugar, se estiró como taffy o chicle. Formó un cuello largo y delgado antes de romperse finalmente. Era mucho más suave y flexible.

El Panorama General

El artículo concluye que el comportamiento de estas suspensiones no se trata solo de las partículas sólidas; se trata del baile entre las partículas y el líquido.

Si las moléculas del líquido son cortas y están ansiosas por unirse a las partículas, obtienes un sólido duro y frágil cuando lo tensionas (Engrosamiento por Cizalla).
Si las moléculas del líquido son largas y prefieren unirse entre sí, obtienes un desastre blando, elástico y pegajoso (Adelgazamiento por Cizalla).

Simplemente cambiando la longitud de la cadena de carbono en el disolvente en uno o dos átomos, los investigadores pudieron cambiar la personalidad del material de una "roca dura" a "taffy suave". Esto demuestra que la forma microscópica y los hábitos de enlace del líquido son tan importantes como las propias partículas sólidas para determinar cómo fluye la mezcla.

Resumen Técnico: El Papel de los Enlaces de Puente de Hidrógeno en el Espesamiento por Cizalla y el Bloqueo de Suspensiones Densas

Enunciado del Problema
Las suspensiones densas exhiben un fuerte espesamiento por cizalla y bloqueo por cizalla (SJ) cuando las partículas se ven forzadas a entrar en contacto bajo altos esfuerzos de cizalla, transitando de interacciones lubricadas a interacciones friccionales. Si bien se sabe que la forma y la rugosidad de las partículas controlan estas interacciones friccionales, el papel de la química superficial y las interacciones con el solvente sigue siendo un factor crítico, aunque menos explorado sistemáticamente. Específicamente, está establecido que las moléculas del solvente pueden formar "puentes" entre partículas adyacentes mediante enlaces de hidrógeno (enlaces H) cuando la cizalla cierra la brecha interparticular, aumentando así la fricción efectiva. Sin embargo, estudios previos no han investigado sistemáticamente cómo el tamaño molecular y la conformación de la molécula del solvente —específicamente la longitud de la cadena de carbono en solventes diol— afectan la transición del espesamiento por cizalla al adelgazamiento por cizalla y las propiedades mecánicas del estado resultante de bloqueo por cizalla.

Metodología
Los autores investigaron esta dependencia del tamaño utilizando suspensiones de maicena (CS) en cuatro solventes distintos: agua (W), etilenglicol (EG, 2 carbonos), 1,3-propanodiol (PD, 3 carbonos) y 1,4-butanodiol (BD, 4 carbonos). Esta serie fue elegida para mantener una capacidad de enlace de hidrógeno comparable (dos grupos hidroxilo por molécula) mientras se variaba la longitud de la cadena y la constante dieléctrica.

El estudio empleó un enfoque multimodal:

Reología de Cizalla: Se realizaron mediciones controladas por esfuerzo en un reómetro Anton Paar MCR 301 para determinar la viscosidad ( $\eta$ ) en función del esfuerzo de cizalla ( $\tau$ ) hasta 100 Pa. Las muestras se probaron a varias fracciones de peso de partículas ( $\phi_W$ ) dentro de una hora de preparación para evitar efectos de envejecimiento por hinchamiento de las partículas.
Simulaciones de Teoría del Funcional de la Densidad (DFT): Se realizaron cálculos utilizando los funcionales PBE y B3LYP (Quantum ESPRESSO) para analizar la estabilidad termodinámica de las conformaciones moleculares del solvente (lineal, anillo y dímero). Se calcularon energías libres vibracionales para comprender cómo las interacciones solvente-solvente (autoasociación) compiten con las interacciones solvente-partícula.
Pruebas de Tracción a Tasa Fija: Para sondear el régimen de bloqueo por cizalla a esfuerzos muy por encima de los límites del reómetro (decenas de kPa), se realizó una prueba de tracción uniaxial. Se extrajo verticalmente una varilla de aluminio sumergida a velocidades fijas (1–50 mm/s) mientras se registraban la fuerza y un video de alta velocidad para observar los modos de fractura (frágil vs. dúctil) y el inicio del bloqueo por cizalla.

Resultados Clave

Transición del Espesamiento por Cizalla al Adelgazamiento por Cizalla:
- Agua y EG: Las suspensiones en agua y etilenglicol exhibieron un fuerte espesamiento por cizalla, transitando a espesamiento por cizalla discontinuo (DST) a altas fracciones de partículas.
- PD y BD: Ocurrió una transición repentina al pasar al propanodiol (3 carbonos) y al butanodiol (4 carbonos). Estas suspensiones mostraron un comportamiento de adelgazamiento por cizalla con un esfuerzo umbral, careciendo del régimen de espesamiento por cizalla observado en los solventes más cortos.
- Convergencia a Alto Esfuerzo: A pesar de las diferencias a bajo esfuerzo, a fracciones de partículas muy altas ( $\phi_W = 55\%$ ) y altos esfuerzos, las curvas de flujo de las cuatro suspensiones comenzaron a converger, lo que sugiere que los contactos friccionales entre partículas eventualmente dominan independientemente del solvente.
Perspectivas de la DFT sobre las Conformaciones Moleculares:
- Las simulaciones de DFT revelaron que, si bien las configuraciones de anillo y dímero son termodinámicamente favorables sobre las lineales para todos los dioles, la penalización energética para formar dímeros es significativamente menor para el PD y el BD en comparación con el EG.
- En consecuencia, las moléculas de PD y BD es más probable que existan como dímeros (autoasociados mediante enlaces H) en el volumen. Esta autoasociación reduce el número de donantes/aceptores de enlaces H libres disponibles para interactuar con la superficie de la maicena, debilitando la capa de solvatación y la repulsión interparticular. Esto conduce al comportamiento de adelgazamiento por cizalla y esfuerzo umbral observado.
Bloqueo por Cizalla y Falla Mecánica:
- Falla Frágil vs. Dúctil: Las pruebas de tracción revelaron comportamientos mecánicos distintos en el estado de bloqueo por cizalla. Las suspensiones de agua y EG fallaron mediante fractura frágil (caída brusca de la fuerza, grietas irregulares). En contraste, las suspensiones de PD exhibieron un estiramiento dúctil extenso y soportaron mayores deformaciones de tracción antes de la falla.
- Papel del Puente: Los autores atribuyen la ductilidad en los sistemas PD/BD a puentes de enlaces H más débiles, largos y flexibles entre las partículas. Mientras que el agua y el EG forman puentes fuertes y cortos que conducen a sólidos bloqueados rígidos y frágiles, la menor solvatación y los puentes más largos en el PD/BD resultan en un estado bloqueado más blando y menos frágil.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma demostrar que las propiedades macroscópicas reológicas y de falla mecánica de las suspensiones densas pueden ajustarse mediante la estructura molecular del solvente. Específicamente, el estudio establece que:

Competencia Solvente-Solvente vs. Solvente-Partícula: La competencia entre la autoasociación del solvente (dimerización) y el enlace de hidrógeno solvente-partícula dicta la fuerza de la capa de solvatación y la naturaleza de la fricción interparticular.
Doble Función del Enlace de Hidrógeno: Los enlaces H actúan como un mecanismo dual: proporcionan repulsión estérica a bajo esfuerzo (previniendo la agregación) pero permiten el puenteo friccional a alto esfuerzo (induciendo el espesamiento/bloqueo).
Ajuste del Comportamiento de Bloqueo: Al aumentar la longitud de la cadena del solvente, se puede desplazar sistemáticamente el sistema de un régimen de fuerte espesamiento por cizalla y bloqueo frágil a un régimen de adelgazamiento por cizalla y bloqueo dúctil. Esto proporciona un mecanismo químico para ajustar la respuesta al esfuerzo y los modos de falla de las suspensiones densas sin alterar la forma o la rugosidad de las partículas.

Los autores concluyen que pequeños cambios en las interacciones solvente-partícula y solvente-solvente afectan profundamente la respuesta al esfuerzo de las suspensiones densas, ofreciendo una vía para controlar el espesamiento por cizalla y el bloqueo mediante el diseño molecular.