Tunable shear thickening in active non-Brownian suspensions

Este estudo demonstra, por meio de simulações de partículas, que a auto-propulsão em suspensões ativas de grãos não brownianos e atritivos induz um "desengrossamento" viscoso ao competir com a formação de contatos por atrito, permitindo o ajuste da reologia do sistema através de uma tensão ativa adimensional e validando uma estrutura de escala universal para suspensões densas.

O essencial

Imagine que você está misturando uma colher de amido de milho (como o ketchup ou uma massa de "oobleck") com água. Se você mexer devagar, a mistura flui como água. Mas, se você tentar mexer rápido e com força, ela fica dura como pedra. Isso é chamado de engrossamento por cisalhamento (shear thickening). É um fenômeno comum em suspensões densas, onde as partículas, ao serem empurradas, começam a se atritar e travar umas nas outras, criando uma rede de forças que endurece o material.

O problema é que, na indústria (como no processamento de alimentos ou mineração), esse endurecimento repentino pode entupir tubos e parar máquinas. O desafio é: como fazer essa mistura ficar dura quando queremos, mas voltar a fluir quando precisamos?

Este artigo de pesquisa apresenta uma solução criativa: dar "vida" às partículas.

A Ideia Principal: Partículas "Vivas"

Os pesquisadores usaram simulações de computador para criar um cenário onde as partículas não são apenas objetos inanimados que esperam ser empurrados. Eles tornaram as partículas ativas, ou seja, elas têm uma "energia própria" e tentam se mover sozinhas (como bactérias nadando ou insetos correndo), mesmo sem ninguém empurrá-las.

Aqui está a analogia do dia a dia:

1. O Cenário Normal (Sem Atividade): Imagine uma sala cheia de pessoas (as partículas) tentando atravessar um corredor apertado. Se você empurrar todo mundo de uma vez (aplicar tensão), as pessoas se esbarram, seguram os braços uns dos outros e formam um bloqueio humano. Ninguém consegue passar. O material "trava".
2. O Cenário Ativo (Com Auto-propulsão): Agora, imagine que cada pessoa nessa sala tem uma pequena mochila a jato que as faz andar em direções aleatórias e agitadas, independentemente do empurrão. Quando você tenta empurrar o grupo para formar o bloqueio, as mochilas a jato fazem as pessoas se mexerem, girarem e se desviarem umas das outras.
   • O Resultado: Em vez de formarem uma parede sólida e travada, elas continuam se movendo e deslizando. A "cola" de atrito não consegue se formar. O material, que deveria estar duro como pedra, continua fluido e fácil de mexer.

O Que Eles Descobriram?

Os pesquisadores descobriram que podem controlar esse efeito.

• Ajuste Fino: Eles definiram um "botão de controle" (chamado de tensão ativa). Se você aumentar a força dessa "mochila a jato" (a atividade das partículas), você consegue reduzir a viscosidade (o "grosso") do material, mesmo quando ele está sob muita pressão.
• O Efeito "Desengrossamento" (Dethickening): Eles chamam esse fenômeno de dethickening. É como se a atividade das partículas "quebrasse" a rede de atrito que causava o endurecimento.
• Universalidade: O mais interessante é que esse comportamento é muito parecido com o que acontece quando você aplica vibrações ou agita o material de lado (uma técnica já conhecida). Ou seja, seja você agitando o material de fora (como um vibrador) ou dando energia de dentro (partículas ativas), o resultado físico é o mesmo: o material deixa de travar.

Por Que Isso é Importante?

Imagine uma fábrica de chocolate ou de tinta. Se o material engrossar demais dentro de um tubo, a produção para. Com essa descoberta, os engenheiros poderiam, no futuro:

1. Projetar materiais que têm partículas "ativas" (ou que podem ser ativadas por um sinal externo).
2. Quando o material precisar fluir rápido, "ligam" a atividade das partículas para evitar que ele trave.
3. Quando precisarem que o material fique firme (para não escorrer), "desligam" a atividade.

Resumo em uma Frase

O estudo mostra que, ao dar um pouco de "vida" e movimento aleatório às partículas de uma mistura grossa, conseguimos impedir que elas se traveem umas nas outras, transformando um material que deveria virar uma pedra em algo que continua fluindo, tudo isso de forma controlável e reversível. É como se a agitação interna das partículas fosse o segredo para manter a porta aberta em um dia de multidão.

Resumo técnico

Resumo Técnico

1. Problema e Contexto

O fenômeno de espessamento por cisalhamento (shear thickening) em suspensões densas de partículas não brownianas é amplamente observado na indústria e em processos naturais. Neste regime, a viscosidade relativa da suspensão ($\eta_r$) aumenta drasticamente com a taxa de cisalhamento ou tensão aplicada. O consenso atual atribui esse comportamento à formação de contatos friccionais entre partículas quando a tensão supera as forças repulsivas, levando a redes de cadeias de força que podem resultar em travamento (jamming) ou fluxo extremamente lento.

O desafio central reside no controle e na "sintonização" (tuning) desse comportamento. Métodos tradicionais envolvem alterações na formulação química (ex.: surfactantes). Métodos mais recentes propõem perturbações mecânicas on-the-fly, como superposição ortogonal de cisalhamento (OSP), vibrações ou perturbações acústicas, que quebram a rede de forças sem alterar a composição. O objetivo deste trabalho é investigar se a auto-propulsão de partículas ativas (atividade) pode atuar como um mecanismo eficaz e ajustável para suprimir o espessamento por cisalhamento, reduzindo a viscosidade em condições onde o sistema estaria normalmente travado.

2. Metodologia

Os autores utilizaram simulações baseadas em partículas (uma variante do Método de Elementos Discretos - DEM) para estudar suspensões densas de partículas não brownianas, repulsivas e com atrito.

• Modelo do Sistema:
  • $N = 10^3$ partículas com coeficiente de atrito de Coulomb ($\mu_p = 1$).
  • Partículas com dois raios diferentes ($a$ e $1,4a$) em uma caixa cúbica periódica.
  • Fluido suspensor com viscosidade $\eta_f$ e densidade igual à das partículas.
• Interações:
  • Hidrodinâmica: Forças de arrasto viscoso e interações de lubrificação de curto alcance.
  • Contato: Forças de contato friccionais (modelo de Hooke dependente da história) e forças repulsivas (Coulombianas) para evitar sobreposição.
  • Atividade: As partículas são modeladas como partículas do tipo "run-and-tumble" (correr e cambalear). Cada partícula recebe uma força ativa aleatória $f_a$ com um tempo de persistência $\tau_p$. A soma das forças ativas é zero para evitar deriva do centro de massa.
• Parâmetros de Controle Adimensionais:
  • $\sigma^* = \sigma_{xy} a^2 / f_r$: Razão entre a tensão de cisalhamento hidrodinâmica e a força repulsiva (controla o espessamento).
  • $\sigma^*_a = f_a / (6\pi\eta_f \dot{\gamma} a^2)$: Razão entre a tensão ativa e a tensão de cisalhamento (controla o "desespessamento" ou dethickening).
• Condições de Simulação: O tempo de persistência foi fixado tal que $\tau_p \dot{\gamma} \sim 1$, focando na variação da intensidade da força ativa ($f_a$) e da tensão aplicada ($\sigma^*$).

3. Contribuições Principais

1. Demonstração de "Desespessamento" (Dethickening) por Atividade: Evidência de que o aumento da auto-propulsão pode reduzir drasticamente a viscosidade em suspensões que, de outra forma, estariam em um estado altamente viscoso ou travado.
2. Mecanismo Microestrutural: Identificação de que a dinâmica isotrópica introduzida pela auto-propulsão compete com a formação de cadeias de força anisotrópicas induzidas pelo cisalhamento, reduzindo o número de contatos friccionais.
3. Unificação de Mecanismos: Proposição de que a atividade e perturbações mecânicas externas (como OSP) operam sob princípios físicos semelhantes, permitindo a aplicação de uma estrutura de escalonamento universal proposta recentemente para descrever a reologia ajustável.
4. Mapeamento do Diagrama de Fase: Quantificação de como a atividade altera as fronteiras entre as regiões de espessamento descontínuo (DST), travamento por cisalhamento e travamento isotrópico no diagrama de fase $\sigma^* - \phi$.

4. Resultados

• Comportamento Reológico:
  • Para $\sigma^*_a = 0$ (sistema passivo), observa-se o comportamento padrão de espessamento por cisalhamento, com uma transição suave ou descontínua para alta viscosidade conforme $\sigma^*$ aumenta.
  • Ao aumentar $\sigma^*_a$ (mantendo $\sigma^*$ fixo e alto), a viscosidade cai abruptamente ("dethickening"), atingindo um mínimo antes de subir novamente em valores muito altos de atividade (devido à difusão induzida pela atividade).
• Microestrutura e Contatos Friccionais:
  • A análise do número médio de contatos friccionais ($n_{fc}$) mostra que, enquanto o cisalhamento externo promove contatos, a atividade suprime sua formação.
  • Visualização das cadeias de força: Em sistemas passivos sob alta tensão, formam-se redes anisotrópicas extensas. Com alta atividade, essas redes são quebradas, resultando em contatos mais isolados e pares de partículas, reduzindo a viscosidade.
• Escalonamento Universal:
  • Os dados de reologia colapsaram em uma única curva mestra ao utilizar uma variável de escalonamento $\tilde{x}_a$ que combina $\sigma^*$, $\sigma^*_a$ e o volume fracional $\phi$.
  • O colapso confirma que a atividade segue a mesma lei de escala proposta para perturbações mecânicas externas, validando uma descrição universal da reologia de suspensões densas ajustáveis.
  • Foram identificados dois regimes de potência: um associado ao travamento isotrópico (expoente -2) e outro ao travamento dominado por atrito (expoente $\approx -1,48$).
• Diagrama de Fase ($\sigma^* - \phi$):
  • O aumento da tensão ativa ($\sigma^*_a$) empurra a fronteira do travamento por cisalhamento (shear jamming) para volumes fracionais mais altos, efetivamente reduzindo o tamanho da região de DST e de travamento no diagrama de fase.
  • Diferentemente de alguns estudos com OSP onde a região de DST pode desaparecer, neste modelo a região de DST não desaparece completamente, mas é significativamente suprimida.

5. Significância e Conclusão

O trabalho estabelece que a auto-propulsão é uma ferramenta viável e ajustável para controlar a reologia de suspensões densas, oferecendo uma alternativa aos métodos mecânicos externos (como vibração ou OSP) para prevenir o travamento e o espessamento excessivo.

A descoberta de que a atividade e as perturbações mecânicas externas compartilham um mecanismo de escalonamento universal sugere que a física fundamental por trás da supressão de contatos friccionais é a introdução de dinâmica isotrópica adicional que compete com a anisotropia do fluxo. Isso abre caminho para o desenvolvimento de metamateriais fluidos programáveis, onde a viscosidade pode ser controlada dinamicamente ajustando a atividade das partículas (por exemplo, em suspensões de microrrobôs ou sistemas biológicos), com implicações diretas para a otimização de processos industriais (como transporte de polpas e processamento de alimentos) e para a compreensão fundamental de sistemas ativos fora do equilíbrio.