? la rugosità che conta

Su internet si trovano video di persone che si divertono a correre sul fango bianco. Sembra quasi che possano camminare sull'acqua. Tuttavia, se le persone si fermano, affondano lentamente. Il fango è solitamente una sospensione concentrata di farina di mais e acqua. Secondo un classico dei libri per bambini molto conosciuto in America, questa massa è chiamata colloquialmente "ooblek"; gli scienziati dei materiali la chiamano liquido non newtoniano. A differenza dei liquidi "normali" (cosiddetti newtoniani), può diventare più densa (più viscosa) quando una forza forte e in rapida evoluzione agisce su di essa. Per un breve momento, si comporta come un solido. Se invece la forza è costante e debole, scorre come un normale liquido.

"Questo fenomeno si verifica in tutte le sospensioni ad alta densità di particelle, compreso il cemento", spiega Lucio Isa, professore di Interfacce all'ETH di Zurigo. Se il cemento viene pompato attraverso un tubo in un cantiere ad una velocità troppo elevata, il tubo si blocca.

Attrito più elevato grazie alla superficie ruvida

Il motivo risiede, tra l'altro, nelle proprietà superficiali delle particelle solide in sospensione: "Se una forza agisce improvvisamente, le particelle solide non possono spostarsi abbastanza rapidamente. Più la superficie delle particelle è ruvida, più l'attrito è elevato".

I ricercatori hanno ora sfruttato queste proprietà per controllare l'aumento improvviso della viscosità in una sospensione concentrata. Invece di usare l'amido di mais, Isa e i suoi colleghi hanno "giocato" con particelle di silicato uniformi di dimensioni micrometriche con una superficie ruvida. Le particelle assomigliano a minuscoli lamponi; gli scienziati le avevano già utilizzate in studi precedenti (cfr. Notizie ETH dal 14/06/2017). Chiao-Peng Hsu, dottorando dell'Isa e suo collega Nicholas Spencer, ha sviluppato un metodo con cui è possibile creare rapidamente un'intera libreria di particelle di lampone con rugosità diverse.

Viscosità più elevata nonostante il minor numero di particelle

I ricercatori hanno usato queste particelle per produrre sospensioni, che hanno testato per verificare il loro improvviso aumento di viscosità quando sono state sottoposte a una forza. ? emerso che quanto più le particelle erano ruvide, tanto minore era la quantità di particelle che i ricercatori dovevano aggiungere a una sospensione per ottenere l'improvvisa solidificazione. Se invece le particelle avevano una superficie liscia, i ricercatori dovevano aggiungere quantità maggiori alla sospensione per poter osservare la solidificazione improvvisa.

Secondo i ricercatori, è possibile risparmiare materiale grazie alle particelle ruvide: La loro proporzione rispetto al volume totale di una sospensione può essere significativamente inferiore a quella delle particelle lisce per ottenere lo stesso effetto.

Se i ricercatori hanno mescolato particelle ruvide e lisce in una sospensione, la solidificazione si è verificata prima rispetto alle sospensioni contenenti solo particelle lisce. I ricercatori del Fare all'ETH hanno scoperto che bastava il sei per cento di perle lisce in una miscela per ritardare significativamente il momento dell'improvviso aumento della viscosità. "? come mescolare perle e ingranaggi di un cuscinetto a sfera", spiega Isa. "Gli ingranaggi si incastrano con relativa facilità e formano una catena stabile. Tuttavia, le perle lisce possono rompere questa catena, facilitando lo scorrimento della sospensione".

"Raspberry" attaccato a un cantilever

Per studiare l'entità dell'attrito tra le singole particelle, Hsu e il suo collega Shivaprakash Ramakrishna hanno attaccato una singola particella di mezzo micrometro al cantilever di un microscopio a forza atomica. I ricercatori hanno spostato la particella su superfici modello di varia rugosità spostando il cantilever di qualche centinaio di nanometri e misurando di quanti gradi si inclinava il cantilever. Più forte è l'attrito, maggiore è l'angolo di inclinazione. "Lavorare con una particella di questo tipo su un cantilever è stato estremamente difficile, poiché le dimensioni sono inimmaginabilmente piccole", sottolinea Hsu. "Nessun altro gruppo ci è riuscito prima di noi".

Utilizzo per giubbotti antiproiettile

Non è ancora chiaro se i risultati si tradurranno in applicazioni. Lo studio è stato utilizzato principalmente per la ricerca fondamentale. "Il nostro obiettivo era studiare come modificare la nano e la microstruttura per influenzare il comportamento del materiale a livello macroscopico. Ci siamo riusciti", afferma Isa. I risultati possono essere applicati a materiali di uso quotidiano come il cemento. "Se si potessero adattare le superfici dei grani e la loro miscela nel cemento secondo le nostre scoperte, si potrebbero ottimizzare le sue proprietà di scorrimento".

Le sospensioni viscose con solidificazione improvvisa sono utilizzate anche per altri scopi, ad esempio un produttore americano usa le sospensioni viscose per sviluppare gilet di sicurezza a prova di proiettile e pugnalata. "Il nostro studio potrebbe contribuire a migliorare queste applicazioni", sottolinea Isa.