Tuning the shear-thickening of suspensions through surface roughness and physico-chemical interactions

Dit onderzoek toont aan dat zowel oppervlakteruwheid als fysisch-chemische interacties, met name waterstofbruggen die de wrijving vergroten, cruciaal zijn voor het regelen van continu en discontinu schuerverdikkingsgedrag in suspensies, waardoor de overgang nauwkeurig kan worden afgestemd voor technische toepassingen.

De kern

Stel je voor dat je een vloeistof hebt die zich gedraagt als water als je er zachtjes doorheen beweegt, maar die plotseling verandert in een harde, ondoordringbare muur zodra je er hard op slaat. Dit fenomeen heet schuifverdikking (shear thickening). Denk aan het beroemde "Oobleck" (maïzena en water): als je er voorzichtig doorheen glijdt, is het vloeibaar, maar als je erop stapt of hard slaat, wordt het hard als beton.

De onderzoekers van dit paper hebben gekeken naar hoe ze dit gedrag kunnen sturen en finetunen. Ze hebben een heel slim experiment gedaan met kleine deeltjes (silica) in een vloeibare basis. Hier is de uitleg in simpele taal, met een paar creatieve vergelijkingen.

1. Het geheim zit in de "huid" van de deeltjes

De onderzoekers gebruikten twee soorten deeltjes die er qua vorm en grootte precies hetzelfde uitzagen, maar een heel andere "huid" hadden:

• De "Hydrofiele" deeltjes: Deze houden van water (of in dit geval, een polaire vloeistof). Ze hebben een huid met kleine "handjes" (chemische groepen) die graag aan elkaar vastgrijpen via waterstofbruggen.
• De "Hydrofobe" deeltjes: Deze zijn waterafstotend. Ze hebben een gladde, wasachtige huid die niet aan elkaar wil plakken.

De vergelijking:
Stel je voor dat de deeltjes mensen zijn in een drukke danszaal.

• De hydrofiele mensen dragen handschoenen met klittenband. Als ze elkaar raken, blijven ze even aan elkaar plakken.
• De hydrofobe mensen dragen gladde latex handschoenen. Als ze elkaar raken, glijden ze direct weer van elkaar af.

2. Ruwheid is de "sleutel" tot wrijving

Naast de huid, keken ze ook naar hoe ruw de deeltjes waren.

• Minder ruw: De deeltjes lijken op gladde balletjes.
• Ruw: De deeltjes zijn als kleine, onregelmatige rotsblokken of korrelige klonten.

De vergelijking:
Stel je voor dat je twee mensen tegen elkaar duwt.

• Als ze gladde kleding dragen, glijden ze makkelijk langs elkaar heen (weinig wrijving).
• Als ze ruwe truien met veel noppen dragen, haken ze in elkaar vast als ze tegen elkaar duwen (veel wrijving).

3. Wat ontdekten ze?

A. Ruwheid zorgt voor een lichte verdikking
Zelfs als de deeltjes geen "handjes" hebben om aan elkaar te plakken (hydrofoob), zorgt de ruwheid ervoor dat ze bij hoge snelheid even vasthaken.

• Vergelijking: Als je twee ruwe rotsblokken hard tegen elkaar duwt, haken ze even vast voordat ze weer losraken. Dit zorgt voor een lichte verdikking van de vloeistof.

B. De "Handjes" (chemische bindingen) zijn nodig voor de extreme verdikking
Om die echte "Oobleck"-reactie te krijgen (waarbij de vloeistof plotseling als beton verhardt), is ruwheid alleen niet genoeg. Je hebt ook de hydrofiele "handjes" nodig.

• Vergelijking: Als die ruwe rotsblokken ook nog eens aan elkaar blijven plakken door hun klittenband (waterstofbruggen), dan vormen ze een enorm sterk netwerk. Zodra je ze hard duwt, kunnen ze niet meer loskomen en blokkeren ze de stroom volledig. Dit is de discontinue schuifverdikking (DST).

C. Je kunt het "afstemmen" door te mengen
Het coolste deel: de onderzoekers hebben gemengd van de "plakkerige" (hydrofiele) en de "glijdende" (hydrofobe) deeltjes.

• Vergelijking: Stel je voor dat je een danszaal vult met mensen die klittenband dragen en mensen die gladde handschoenen dragen.
  • Als er alleen plakkerige mensen zijn, wordt het een harde muur bij druk.
  • Als je meer gladde mensen toevoegt, kunnen ze de plakkerige mensen uit elkaar duwen.
  • Door de verhouding te veranderen, kunnen ze precies bepalen wanneer de vloeistof hard wordt en hoe hard hij wordt. Het is alsof je een dimmerknop hebt voor de hardheid van de vloeistof.

4. Waarom is dit belangrijk?

Meestal dachten wetenschappers dat je heel veel deeltjes nodig had (bijna de hele vloeistof) om dit effect te krijgen. Maar deze onderzoekers toonden aan dat je met zeer ruwe deeltjes en de juiste chemie dit effect al kunt krijgen bij heel weinig deeltjes (slechts 5% tot 10%).

De toepassing:
Dit is geweldig voor de toekomst. Denk aan:

• Slagvast vesten: Kleding die zacht is om te dragen, maar bij een kogelinslag direct verhardt om je te beschermen.
• Cement: Beton dat makkelijk te gieten is, maar niet uit elkaar valt als het stolt.
• Stabiele vloeistoffen: Omdat hun deeltjes niet gaan bezinken (in tegenstelling tot maïzena), blijven deze vloeistoffen jarenlang stabiel.

Samenvatting in één zin

Door de ruwheid van deeltjes te combineren met hun chemische "plakkracht", kunnen we vloeistoffen ontwerpen die precies doen wat we willen: zacht zijn als we rustig zijn, en ondoordringbaar hard worden als we snel bewegen, en we kunnen dit gedrag precies afstemmen door de ingrediënten te mengen.

Technische samenvatting

Titel

Het afstemmen van het schuifverdikkingsgedrag van suspensies via oppervlakteruwheid en fysisch-chemische interacties.

1. Het Probleem

Schuifverdiking (shear thickening) is het fenomeen waarbij de viscositeit van een suspensie van stijve deeltjes reversibel toeneemt onder externe schuifkracht. Hoewel dit veelvoorkomend is in systemen zoals tandpasta, voedsel en vers cement, is de microscopische oorsprong nog steeds onderwerp van debat. De twee belangrijkste mechanismen die worden aangevoerd zijn:

1. Hydrodynamische interacties: Krachten die door het vloeistofmedium worden overgedragen.
2. Wrijvingscontacten: Fysiek contact tussen deeltjes dat leidt tot wrijving.

Bestaande theorieën suggereren vaak dat discontinu schuifverdiken (DST, waarbij de viscositeit plotseling met orde van grootte toeneemt) alleen optreedt bij zeer hoge volumefracties (dicht bij de "jamming" fractie $\phi_J$, vaak >50%). Echter, de relatieve bijdrage van wrijving versus chemische interacties (zoals waterstofbruggen) aan de grootte en het begin van dit effect is niet volledig gekwantificeerd, vooral niet bij deeltjes met complexe geometrieën.

2. Methodologie

De auteurs hebben een experimenteel onderzoek uitgevoerd met colloidale siliciumdioxide (fumed silica) deeltjes gesuspendeerd in polypropyleenglycol (PPG), een polair viskeus solvent. Ze hebben een model systeem ontworpen waarbij ze onafhankelijk twee kritieke parameters konden variëren:

• Oppervlakteruwheid: Ze gebruikten twee soorten deeltjes met dezelfde globale diameter ($D \approx 300$ nm), maar verschillende groottes van de primaire "knooppunten" (nodules) die de deeltjes vormen:
  • Minder ruw: $R_u = 25$ nm (lager specifiek oppervlak).
  • Ruwer: $R_u = 10$ nm (hoger specifiek oppervlak, meer convoluted structuur).
• Oppervlaktechemie: Voor elke ruwheid werden zowel hydrofiele (natuurlijk aanwezig door hydroxylgroepen) als hydrofobe deeltjes (verkregen door silanisatie) gebruikt.

De rheologische respons werd gemeten met een stress-geregeld reometer in een kegel-plate geometrie. Ze analyseerden de stroomkrommen ($\eta$ vs. $\dot{\gamma}$ of $\sigma$) en introduceerden een dimensieloze parameter $\beta = \dot{\gamma}(d\eta/d\sigma)$ om de overgangen te kwantificeren:

• $\beta < 0$: Schuifverdunning.
• $0 \le \beta < 1$: Continu schuifverdiken (CST).
• $\beta \to 1$: Discontinu schuifverdiken (DST).

Daarnaast werden mengsels van hydrofiele en hydrofobe deeltjes bestudeerd om de competitie tussen deze interacties te analyseren.

3. Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

A. Invloed van Oppervlaktechemie (Hydrofiel vs. Hydrofoob)

• Hydrofiele deeltjes: Toonden zowel CST als DST, afhankelijk van de volumefractie. De aanwezigheid van hydroxylgroepen maakt het vormen van waterstofbruggen mogelijk tussen deeltjes onder schuif, wat de wrijving versterkt.
• Hydrofobe deeltjes: Toonden geen schuifverdiking (alleen schuifverdunning) voor de minder ruwe deeltjes, ongeacht de volumefractie. Voor de ruwere hydrofobe deeltjes werd een zwakke CST waargenomen, maar DST bleef afwezig.
• Conclusie: Waterstofbruggen (reversibele chemische adhesie) zijn essentieel om DST te bereiken. Zonder deze interacties wordt de schuifverdiking volledig onderdrukt of beperkt tot een zwak CST-effect, zelfs bij ruwe deeltjes.

B. Invloed van Oppervlakteruwheid

• Verlaagde kritieke fracties: De meest opvallende bevinding is dat schuifverdiking optreedt bij zeer lage volumefracties vergeleken met de literatuur.
  • Voor de ruwere hydrofiele deeltjes ($R_u = 10$ nm) begon CST al bij $\phi_{CST} \approx 3,4\%$ en DST bij $\phi_{DST} \approx 8,8\%$.
  • Voor de minder ruwe deeltjes ($R_u = 25$ nm) begon CST bij $\phi_{CST} \approx 5\%$ en DST bij $\phi_{DST} \approx 18\%$.
• Mechanisme: De ruwe, fractal-achtige structuur zorgt ervoor dat deeltjes bij veel lagere volumefracties in contact komen dan bij gladde bollen. De auteurs stellen een geometrisch criterium op waarbij schuifverdiking begint wanneer de gemiddelde afstand tussen deeltjes ($L$) vergelijkbaar wordt met de grootte van de deeltjes ($D$), rekening houdend met de ruwe textuur.

C. Mengsels en Tuning

Door hydrofiele en hydrofobe deeltjes te mengen, konden de auteurs de rheologische respons fijnafstemmen.

• Het toevoegen van hydrofobe deeltjes aan een hydrofiele suspensie verlaagt de magnitude van de schuifverdiking en kan DST volledig onderdrukken als de fractie hydrofobe deeltjes te hoog wordt.
• Dit biedt een methode om de overgang van CST naar DST en de kritieke spanningen te regelen zonder de totale volumefractie te veranderen.

4. Significatie en Conclusie

• Mechanistisch Inzicht: Het werk bevestigt dat schuifverdiking in deze systemen voortkomt uit een synergie tussen vaste wrijving (aangedreven door ruwheid) en reversibele chemische interacties (waterstofbruggen). Wrijving is nodig voor CST, maar waterstofbruggen zijn cruciaal voor de extreme toename van DST.
• Uitdaging aan Bestaande Theorieën: De waarneming van DST bij volumefracties ver weg van de traditionele "jamming" punt ($\phi_J$) (bijv. DST bij 8-18% in plaats van >50%) daagt de huidige theoretische kaders uit die gebaseerd zijn op gladde, bolvormige deeltjes. Het suggereert dat de complexe geometrie en de mogelijkheid tot onderling doordringen (interpenetratie) van ruwe deeltjes de kritieke condities fundamenteel veranderen.
• Praktische Toepassingen: De bevindingen bieden nieuwe wegen voor het ontwerpen van goedkopere en stabielere schuifverdikkende vloeistoffen voor toepassingen zoals schokabsorberende composieten (bijv. kogelvrij vesten) en cementpaste. Door de oppervlakteruwheid en chemie te manipuleren, kan men de overgangspunten nauwkeurig afstemmen, zelfs bij lagere deeltjesconcentraties, wat de verwerkbaarheid en transparantie van het materiaal verbetert.

Kortom, dit onderzoek demonstreert dat oppervlakteruwheid en oppervlaktechemie krachtige "knoppen" zijn om het rheologische gedrag van suspensies te controleren, en biedt een nieuw perspectief op de microscopische oorsprong van schuifverdiking.