Las partículas rodantes hacen más fluidas las suspensiones
Primera medición de la fricción de rodadura de partículas diminutas de tamaño micrométrico
Lacas, pintura, hormigón e incluso ketchup o zumo de naranja: Las suspensiones están muy extendidas en la industria y la vida cotidiana. Los especialistas en materiales entienden por suspensión un líquido en el que se distribuyen uniformemente diminutas partículas sólidas insolubles. Si la concentración de partículas en una mezcla de este tipo es muy alta, pueden observarse fenómenos que contradicen nuestra concepción cotidiana de un líquido. Por ejemplo, estos fluidos denominados no newtonianos se vuelven repentinamente más viscosos cuando actúa sobre ellos una fuerza intensa. Durante un breve instante, el líquido se comporta como un sólido.
Este repentino espesamiento está causado por las partículas presentes en la suspensión. Si la suspensión se deforma, las partículas tienen que reorganizarse. Desde el punto de vista energético, es más ventajoso que rueden unas junto a otras siempre que sea posible. Sólo cuando esto ya no es posible, por ejemplo porque varias partículas se atascan, tienen que deslizarse unas respecto a otras. Sin embargo, el deslizamiento requiere mucha más fuerza y, por tanto, el líquido resulta macroscópicamente más viscoso.
Por tanto, las interacciones que se producen a escala microscópica afectan a todo el sistema y determinan cómo fluye una suspensión. Para optimizar la suspensión e influir específicamente en sus características de flujo, los científicos deben comprender la magnitud de las fuerzas de fricción entre las partículas individuales.
¿Qué investigaron los científicos?
Los investigadores de materiales de la ETH de Zúrich, dirigidos por Lucio Isa, catedrático de Interfaces y Materias Blandas, desarrollaron un método para medir las fuerzas de fricción entre partículas individuales de sólo unos micrómetros de diámetro.
Para ello utilizaron un microscopio de fuerza atómica. El estudiante de doctorado Simon Scherrer desarrolló primero un soporte microscópicamente pequeño, que sirve para capturar una sola partícula esférica. A continuación, movieron esta partícula "atrapada" sobre una superficie plana con las mismas características que la partícula, utilizando el microscopio de fuerza atómica. De este modo, los investigadores pudieron imitar dos partículas que se mueven una junto a la otra y medir las minúsculas fuerzas entre las superficies.
¿Por qué es tan importante?
Las partículas examinadas son diminutas: apenas 12 micrómetros, es decir, 12 millonésimas de metro de diámetro. Por tanto, fue difícil desarrollar una técnica de medición adecuada para medir la fricción de rodadura que se produce en la partícula. La fabricación de un soporte adecuado resultó especialmente difícil. "Debo haber desarrollado unas 50 versiones hasta que encontré una que cumplía los requisitos", revela Scherrer.
Los investigadores fabricaron diferentes partículas para entender cómo afecta la superficie de las diminutas partículas al comportamiento de la suspensión. "Las partículas con una superficie lisa o muy resbaladiza simplemente se deslizaban unas junto a otras, independientemente de la fuerza con la que las presionáramos", explica Scherrer.
La situación con partículas rugosas o pegajosas era muy distinta, ya que estas partículas se engranan entre sí como ruedas dentadas y ruedan con poca resistencia. Por último, los investigadores fijaron las partículas en el soporte para medir su fricción por deslizamiento. Esta fricción es muchas veces superior a la de rodadura y explica el espectacular espesamiento de las suspensiones.
¿Para qué sirve esto?
Los investigadores pudieron deducir directamente de sus mediciones los coeficientes de rozamiento por rodadura y por deslizamiento de las respectivas partículas. Estas cifras pueden utilizarse en modelos informáticos para simular suspensiones con una elevada fracción de partículas, por ejemplo, y determinar así las características óptimas de flujo. Estos conocimientos sobre los mecanismos microscópicos que son la causa fundamental del espesamiento están abriendo nuevos enfoques para optimizar las suspensiones en aplicaciones de la industria, la construcción o la vida cotidiana.
Entre otros, podrían beneficiarse la industria del hormigón o los fabricantes de microelectrónica. Estos últimos ya utilizan suspensiones densas con partículas metálicas conductoras para soldar componentes a placas de circuitos. La pasta de soldadura se presiona a través de boquillas estrechas. Si la presión es demasiado grande, la pasta puede espesarse de repente y obstruir la boquilla.
"Para evitar este comportamiento y optimizar estas suspensiones, tenemos que saber con precisión cómo se comportan las partículas a microescala y qué fuerzas se producen en el proceso", afirma Isa.
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