Представьте себе жидкость, которая в один момент свободно течёт, а в другой — 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 штата Нью-Йорк в Тандоне разработали такой материал, используя крошечные частицы, которые могут изменять свою форму и жёсткость 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 ней представлен новый способ регулирования поведения плотных суспензий — смесей твёрдых частиц в жидкости — под воздействием стресса.
Как это работает
Эти новые частицы изготовлены из жидкокристаллических эластомеров (LCE), 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, а при более низких — затвердевают, приобретая неправильные угловатые формы. Это изменение оказывает драматическое влияние на то, как течёт суспензия.
Применение в промышленности
Плотные суспензии встречаются в повседневных продуктах, таких как краски, зубная паста и цемент. При определённых условиях эти материалы могут непредсказуемо загустевать под воздействием силы, что называется сдвиговым утолщением. 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 постоянный поток.
Исследовательская группа под руководством профессора молекулярной инженерии Стюарта Роуэна из Чикагского университета и Хуана де Пабло разработала частицы LCE, формы которых можно запрограммировать во время синтеза. Они обнаружили, что суспензии, изготовленные из более неправильных частиц, похожих на картофель, загустевали гораздо сильнее под воздействием стресса, чем суспензии, изготовленные из более гладких частиц, похожих на горох.
Ключевым прорывом стал контроль температуры. При более низких температурах частицы в форме картофеля были жёсткими и неровными, и их суспензии демонстрировали сильное сдвиговое утолщение — сопротивление потоку при увеличении нагрузки. Но когда температура поднималась выше 45–50 °C, частицы превращались в более мягкие и 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 и воды, где при небольшом сдвиге материал является жидкостью, но при сильном сдвиге он становится твёрдым. Существует несколько факторов, влияющих на такое поведение при сдвиге, включая форму и жёсткость частиц в суспензиях. Здесь мы показываем, что можно разработать частицы с реакцией на стимулы, которые позволяют получить доступ к суспензиям с настраиваемым поведением 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 похоже на переключение 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 суспензии, подвергшиеся старению, нагревались 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 ту же суспензию можно настроить, просто изменив температуру.
Потенциальное применение широко варьируется. Например, 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 содержимого, а за счёт изменения расположения своих частей и их взаимодействия.