Представьте себе жидкость, которая в один момент свободно течёт, а в следующий — застывает почти до твёрдого состояния, а затем может снова переключиться обратно при простом изменении температуры. Исследователи из Чикагского университета (Pritzker School of Molecular Engineering) и Университета Нью-Йорка (NYU Tandon) разработали такой материал, используя крошечные частицы, которые могут изменять свою форму и вязкость по требованию.
Их научная статья «Tunable shear thickening, aging, and rejuvenation in suspensions of shape-memory endowed liquid crystalline particles» опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences. В статье демонстрируется новый способ регулирования поведения плотных суспензий — смесей твёрдых частиц в жидкости — под воздействием стресса.
Как это работает
Эти новые частицы изготовлены из жидких кристаллических эластомеров (LCEs) — материала, который сочетает в себе структуру жидких кристаллов с гибкостью резины. При нагревании или охлаждении частицы меняют форму: они размягчаются и становятся круглыми при более высоких температурах и затвердевают, приобретая неправильные угловатые формы, при более низких. Это изменение оказывает драматическое влияние на то, как течёт суспензия.
Плотные суспензии встречаются в повседневных продуктах, таких как краски, зубная паста и цемент. При определённых условиях эти материалы могут непредсказуемо загустевать под воздействием силы — явление, известное как сдвиговое утолщение. В некоторых случаях загустевание становится настолько сильным, что материал заклинивает и перестаёт течь. Это может вызвать проблемы в обработке и производстве, где важен плавный и стабильный поток.
Исследовательская группа под руководством профессора молекулярной инженерии Чикагского университета Стюарта Роуэна и Хуана де Пабло разработала частицы LCE, форму которых можно запрограммировать во время синтеза. Они обнаружили, что суспензии, изготовленные из более неправильных «картофелеобразных» частиц, загустевали гораздо сильнее под воздействием стресса, чем суспензии, изготовленные из более гладких «горохообразных» частиц.
Но ключевым прорывом стал контроль температуры. При более низких температурах частицы в форме картофеля были жёсткими и неправильными, и их суспензии демонстрировали сильное сдвиговое утолщение — сопротивление потоку при увеличении напряжения. Но когда температура поднималась выше 45–50 °C, частицы превращались в более мягкие, круглые формы, и суспензия становилась намного легче для перемешивания или перекачивания. Исследователи показали, что это изменение можно повторять снова и снова.
«Основное поведение похоже на то, что наблюдается при смешивании кукурузного крахмала с водой, где при небольшом сдвиге материал представляет собой жидкость, а при сильном сдвиге — твёрдое тело. Существует несколько факторов, влияющих на такое поведение при сдвиге, включая форму и жёсткость частиц в суспензиях. Здесь мы показываем, что можно разработать частицы с ответной реакцией на стимулы, которые позволяют получить доступ к суспензиям с настраиваемыми свойствами потока», — сказал Роуэн.
Чуцяо Чен, первый автор исследования и кандидат наук в Школе молекулярной инженерии Чикагского университета во время исследования, добавил: «В узком температурном окне мы наблюдали полный переход от заблокированного, густого состояния к свободно текущему. Это как щёлкнуть выключателем и изменить поведение жидкости».
Со временем, даже при отсутствии потока, суспензии частиц имеют тенденцию переходить в более твёрдые состояния в процессе, известном как «старение». Частицы слипаются и образуют структуры, которые сопротивляются движению. Однако суспензии на основе LCE имеют встроенное решение. Когда состарившиеся суспензии нагревали выше температуры перехода формы, частицы расслаблялись до сферических форм, и кластеры распадались. Суспензия возвращалась в жидкое состояние, эффективно сбрасывая настройки.
Способность контролировать форму и жёсткость частиц с помощью температуры даёт исследователям совершенно новый инструмент управления поведением плотных жидкостей. Традиционно для настройки свойств потока суспензий требовалось регулировать количество частиц или изменять химический состав жидкости. При таком подходе одну и ту же суспензию можно настроить, просто изменив температуру.
Потенциальные применения широки. В аддитивном производстве (3D-печать) предотвращение заклинивания и контроль потока являются основными проблемами. В промышленном смешивании возможность «выключения» загустевания может повысить эффективность. Результаты команды показывают, что даже умеренное нагревание или охлаждение может достичь этого.
Исследование открывает путь к созданию материалов, которые могут течь, заклинивать и разблокироваться по команде — не за счёт изменения своего состава, а путём изменения расположения своих частей и их взаимодействия.