Исследователи из Швейцарского федерального технологического института под руководством профессора Лучио Исы раскрыли, как микроскопические силы трения между частицами влияют на поведение суспензий — жидкостей с равномерно распределенными твердыми частицами. Это открытие может помочь избежать засоров при нанесении паст, повысить качество строительных смесей и улучшить поведение бытовых жидкостей вроде кетчупа. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Суспензии повсеместно встречаются в нашей жизни — в красках, бетонных смесях, продуктах питания. При сильном внешнем воздействии они могут вести себя необычно: внезапно становиться вязкими и даже «твердеть». Такое поведение называют не ньютоновским, и его причина — в микровзаимодействиях между частицами в жидкости.
Команда исследователей разработала уникальный метод измерения трения между отдельными микрочастицами размером всего 12 микрометров. С помощью атомно-силового микроскопа и специально созданного держателя аспирант Симон Шеррер смог «поймать» одну частицу и перемещать ее по поверхности, имитируя движение двух частиц друг относительно друга.
Благодаря этому подходу ученые впервые смогли точно измерить как трение качения, так и трение скольжения между частицами — два принципиально разных механизма, от которых зависит текучесть суспензий.
Результаты показали, что частицы с гладкой или скользкой поверхностью легко скользят друг мимо друга даже при сильном давлении. А вот шероховатые или «липкие» частицы зацепляются, как зубья шестеренок, и катятся друг по другу с минимальным трением. Когда катиться уже невозможно, частицы вынуждены скользить — и тогда требуется гораздо больше усилий, что и объясняет внезапное сгущение жидкости.
Понимание микроскопических сил трения позволяет разрабатывать более точные компьютерные модели и предсказывать поведение сложных суспензий. Это важно для целого ряда отраслей: от производства бетона до микроэлектроники. Например, в производстве микросхем используются суспензии с металлическими частицами. Если паста внезапно загустеет, она может закупорить сопло и остановить производство.
«Чтобы оптимизировать поведение таких материалов, нам нужно точно знать, как взаимодействуют частицы на микроскопическом уровне», — объяснил профессор Иса.