Avances en la investigación de fluidos elastoviscoplásticos

Los fluidos elastoviscopásticos (EVP) son materiales que muestran una mezcla única de comportamientos similares a sólidos y líquidos. Actúan como sólidos hasta que se aplica una cierta tensión (la tensión de fluencia) y luego fluyen como líquidos cuando se supera esa tensión. Este comportamiento es importante para muchas sustancias, incluidos los materiales de construcción y los productos de cuidado personal. La forma en que se comportan estos materiales depende de pequeñas interacciones a nivel microscópico.

Estos fluidos también tienen la capacidad de almacenar y recuperar energía después de la deformación, lo cual es crucial para varios fenómenos, como el movimiento de burbujas a través de ellos o el asentamiento de sedimentos. En aplicaciones como la impresión 3D, entender el comportamiento de flujo de estos fluidos puede mejorar la eficiencia, pero también enfrenta desafíos como la formación de gotas adicionales que pueden afectar la precisión. Los materiales tradicionales usados en laboratorios tienen una capacidad limitada para estirarse, lo que limita su uso en aplicaciones del mundo real que requieren propiedades específicas.

#Importancia de la Reología Extensional

La reología extensional es un área que analiza cómo se comportan los fluidos cuando se estiran. Esto es particularmente significativo para los fluidos EVP porque, mientras que el comportamiento de corte (cómo fluye un fluido bajo tensión) está bien estudiado, el comportamiento extensional sigue siendo menos explorado. La capacidad de estos fluidos para estirarse significativamente puede llevar a una mejor comprensión de procesos como la formación de gotas o cómo los materiales se rompen cuando se tiran. Investigaciones recientes han comenzado a explorar cómo mejorar la capacidad de estiramiento de los fluidos de tensión de fluencia añadiendo polímeros, que son moléculas grandes formadas por unidades repetidas. Sin embargo, aún no se ha logrado una separación clara entre las características de corte y las extensionales.

#Un Nuevo Enfoque para los Fluidos EVP

Esta investigación presenta una nueva formulación de fluido EVP diseñada para tener distinciones claras entre los comportamientos de corte y extensional. Al seleccionar cuidadosamente aditivos poliméricos, los investigadores buscan crear un fluido que mantenga su estructura única mientras permite un mejor estiramiento. El fluido específico que se está probando es una mezcla de Pluronic F127, un tipo de polímero, y poliacrilamida hidrolizada (HPAA), que añade propiedades de entrecruzamiento.

#Observando Cambios en la Estructura del Fluido

Para entender cómo estos cambios afectan la estructura del fluido, se utiliza la microscopía electrónica de barrido (SEM). Esta técnica permite a los investigadores ver las pequeñas estructuras dentro del fluido. En las imágenes, el Pluronic F127 puro aparece poroso con formas alargadas, pero cuando se añade HPAA, el tamaño de los poros se vuelve más pequeño y las formas se vuelven más redondeadas. Este cambio en la estructura es crucial para entender cómo se comportará el fluido bajo diferentes condiciones.

#Comportamiento de Corte del Fluido Modificado

Se examina en detalle el comportamiento de corte del fluido modificado con HPAA. Usando un dispositivo especial llamado reómetro, que mide cómo fluye un fluido bajo fuerzas aplicadas, los investigadores obtienen curvas de flujo que muestran la relación entre tensión y tasa de corte. Los resultados muestran que incluso con diferentes cantidades de HPAA, la tensión de fluencia se mantiene constante. Esto sugiere que el polímero añadido no altera fundamentalmente cuánto estrés puede soportar el fluido antes de comenzar a fluir.

Además, las pruebas muestran que la temperatura de gelificación-el punto en el que el fluido comienza a espesar-permanece sin cambios cuando se incluye HPAA. Esto indica que la adición de HPAA no interfiere con el proceso de gelificación, lo cual es importante para muchas aplicaciones.

#Análisis del Comportamiento Extensional

Para analizar cómo se comporta el fluido recién formulado cuando se estira, los investigadores utilizan un dispositivo llamado reómetro extensional de ruptura capilar (CaBER). Este instrumento crea un filamento de fluido y mide cómo se adelgaza con el tiempo. El Pluronic F127 puro no forma un filamento estable por sí solo y se rompe rápidamente; sin embargo, cuando se añade HPAA, se puede formar un filamento estable. La adición de HPAA permite monitorear el adelgazamiento del filamento, revelando que el tiempo de relajación-el tiempo que tarda el fluido en regresar a su estado original después de ser deformado-puede medirse de manera efectiva.

Los resultados indican que incluso bajo varias condiciones, los Tiempos de relajación se mantienen constantes, lo que significa que el fluido se comporta de manera predecible. Esto es valioso para aplicaciones prácticas ya que entender cuánto tiempo tarda un fluido en recuperarse ayuda en el diseño de procesos que utilizan estos materiales.

#Usando OSCER para Más Perspectivas

Se llevan a cabo investigaciones adicionales sobre propiedades extensionales utilizando un reómetro extensional de ranura cruzada de forma optimizada (OSCER). Este dispositivo permite capturar cómo fluye el fluido en un área controlada, proporcionando información sobre cómo cambia la forma del flujo bajo diferentes condiciones.

En pruebas con el fluido modificado, los investigadores observan que el flujo se comporta mayormente de manera simétrica a baja tensión, reflejando el comportamiento típico de los fluidos. Sin embargo, a medida que aumenta la tensión, comienzan a surgir signos de inestabilidad, lo que indica interacciones complejas dentro del fluido. A tasas más altas, el fluido pasa de comportarse como un fluido de tensión de fluencia a un comportamiento más elástico, sugiriendo que a tasas extensionales mayores, las propiedades elásticas del material se vuelven más pronunciadas.

#Implicaciones para Aplicaciones del Mundo Real

Entender el comportamiento de estos fluidos tiene implicaciones significativas para diversas industrias. En procesos como la impresión 3D, donde la precisión es crucial, la capacidad de gestionar tanto los comportamientos de corte como los extensionales puede mejorar la calidad y precisión de los productos impresos. Los conocimientos adquiridos de esta investigación pueden ayudar a diseñar mejores materiales para las tintas usadas en impresión, ya que los métodos actuales suelen enfocarse únicamente en las propiedades de corte sin considerar cómo se comportarán los materiales cuando se estiren.

Además, los hallazgos sugieren que los fluidos recién formulados pueden lograr una mayor tensión de fluencia extensional de lo que predicen los modelos tradicionales. Esto indica la necesidad de nuevas teorías que consideren juntos las propiedades de corte y extensionales, ayudando a cerrar las brechas en la comprensión de la dinámica de fluidos.

#Conclusión

Este estudio demuestra que es posible ajustar el comportamiento extensional de los fluidos elastoviscopásticos a través de la adición cuidadosa de aditivos poliméricos. Los investigadores encontraron que estas adiciones pueden impactar significativamente cómo se comportan los fluidos cuando se estiran, manteniendo las propiedades de corte en gran medida sin cambios. Esto abre nuevos caminos para la investigación y la aplicación industrial, especialmente en áreas donde el control preciso del comportamiento del fluido es esencial.

La transición de un comportamiento similar a la tensión de fluencia a un comportamiento viscoelástico bajo tasas extensionales más altas enfatiza la complejidad de estos fluidos y su potencial para aplicaciones innovadoras. Al mejorar tanto la comprensión como la aplicación práctica de estos materiales, la investigación allana el camino para mejores prácticas en industrias que dependen de la dinámica de fluidos.