エンジニアは、流体懸濁液がさまざまなスケールでさまざまな動作を示す方法を説明します

蜂蜜はすでに濃い液体ですが、結晶化し始めると、実に固くなります。 懸濁液中の砂糖の結晶は、その粘度を上げるようです。 この現象は、自然界と構築された世界全体で発生します。泥流から塗料まで、粒子の懸濁液は粘性流体のように振る舞う傾向があります。

エンジニアは、粒子のサイズと濃度に基づいて懸濁液の巨視的特性をモデル化することにより、これを有利に使用します。 ただし、この近似は特定のスケールで崩壊します。 カリフォルニア大学サンタバーバラ校のVirgileThiévenazとAlbanSauretは、いつ、どのように行うかを決定しようとしました。

彼らは、懸濁液が特定の長さスケールを下回ると、流体がピンチインして液滴のネックを形成する場合など、粒子が均一に広がることはないことを発見しました。 最終的には、純粋な液体のように振る舞う粒子のない薄い領域ができます。 で公開された調査結果 国立科学アカデミーの議事録、近似の限界を強調し、産業環境で多くの潜在的なアプリケーションがあります。

粘度は、流体の層間の内部摩擦を定量化します。 粘性のある液体では、1つの層が隣接する層により多くの抗力を及ぼし、変形や流れに対してより耐性のあるより厚い流体を生成します。 懸濁液中の粒子も同様に動作します。 粒子は、隣接する粒子が移動すると移動する可能性が高くなり、流体の有効粘度が増加します。 濃度が高くなると、粒子同士が近づき、効果が強化されます。 「サスペンションを遠くから見る限り、それはより粘性のある液体です」と、機械工学部のポスドク研究員であるティエベナズは説明しました。

液滴実験で、ThiévenazとSauretは、懸濁液が粘性液体のように特定の厚さまで伸び、その後、粒子を互いに引き離すことが可能になることを観察しました。 これにより、動作が異なるさまざまな濃度の領域が作成されます。 最終的に、領域には粒子が含まれなくなり、純粋な流体のように機能します。 この後、有効粘度は純粋な液体の有効粘度に単純化されます。

エンジニアは、大規模な粒子サイズと濃度で懸濁液の有効粘度を較正するために多くのデータをまとめました。 ティエベナズとソーレの課題は、サスペンションのモデル化に古典的に使用されていた近似がどの程度の規模で解明され始めたかを把握することでした。

さらに実験を重ねた結果、著者らは、このしきい値も粒子のサイズと濃度によって変化することを確認しました。 懸濁液は、粘性流体のように振る舞うことから、粒子のサイズと同等のスケールで不均一な混合物のように振る舞うことへと移行します。

興味深いことに、小さい粒子は比例して強い効果を持っているようです。 「粒子サイズに比べて、特定の濃度の小さな粒子の場合、しきい値ははるかに大きくなります」と、機械工学の助教授であるソーレは述べています。

たとえば、140マイクロメートルの粒子の濃度が30％の懸濁液は、600μmのスケール、つまり粒子の直径の約4倍までスムーズに動作する可能性があります。 しかし、同じ濃度の20µmの粒子を含む懸濁液は、250µmまでこの効果を示す可能性があります。全体としては小規模ですが、粒子の直径の12倍以上です。

懸濁液の挙動を予測することは、製造において主要な用途があります。 プロセスでは、フィルムの操作や小さな液滴の作成が必要になる場合があり、技術者はこれらのシステムの特性を予測できる必要があります。 ディップコーティングされた部品の場合、フィルム内の粒子を適切に操作することは、完成品と絶対的な混乱の違いになる可能性がある、とソーレは説明しました。

スプレーコーティングは、この現象をさらに明確に示しています。 ワニスのような純粋な液体は、製品をスプレーコーティングするときに、塗料のような懸濁液とは異なる動作をします。 同じ有効粘度の純粋な液体と比較した場合、懸濁液はより少なく、より大きな液滴でより早く崩壊します。 研究者の次のタスクは、液滴の数とサイズが速度、粒子濃度、粒子サイズなどのパラメーターにどのように依存するかを決定することです。

懸濁液を粘性液体として近似することはうまく機能しますが、特定のスケールでのみ機能します。 「ある時点でそれは失敗するだろう」とソーレは言った。 「そして、「現時点では、このアプローチを使用することはできず、代わりに別の方法を使用する必要がある」と言える必要があります。」