Autoensamblaje de partículas inducido por flujo en fluidos

En este artículo, vamos a hablar sobre cómo se comportan los fluidos cuando fluyen y cómo esto afecta la manera en que pequeñas partículas se juntan para formar cadenas. Este proceso es importante en varios campos, incluyendo la creación de nuevos materiales, el procesamiento de alimentos y aplicaciones médicas.

Cuando un fluido fluye, sus propiedades físicas pueden cambiar según cómo se esté moviendo. En particular, nos centraremos en cómo ciertos tipos de fluidos, llamados Fluidos viscoelásticos, afectan la formación de cadenas de partículas cuando se someten a flujo cortante. Estos fluidos pueden mostrar un comportamiento similar al de un sólido y al de un líquido, dependiendo de las condiciones.

El fenómeno donde las partículas forman cadenas en un fluido bajo flujo cortante se conoce como autoensamble inducido por flujo (FISA). Aunque este proceso se ha estudiado durante años, aún hay aspectos que los investigadores no comprenden del todo. Un factor importante que parece afectar el FISA es la forma en que la viscosidad de un fluido cambia cuando fluye, específicamente cuando se vuelve "cortante-debilitante". Esto significa que la resistencia del fluido al flujo disminuye a medida que aumenta la velocidad de flujo.

#Investigando el FISA con técnicas avanzadas

Para estudiar el FISA con más detalle, usamos una herramienta especial llamada celda de corte de cono y placa. Este equipo nos permite aplicar tasas de corte controladas a un fluido y observar cómo se comportan las partículas como resultado. Ajustando la velocidad a la que fluye el fluido, podemos ver cómo las partículas comienzan a unirse en cadenas.

Para nuestros experimentos, usamos una suspensión hecha de pequeñas perlas de poliestireno en una solución acuosa de poliacrilamida (PAM), que es un tipo de fluido viscoelástico. Las propiedades de este fluido se midieron utilizando una técnica llamada Microrheología, que nos permite estudiar el comportamiento de pequeñas partículas en un fluido.

#Lo que encontramos sobre el comportamiento de las partículas

Nuestros hallazgos revelaron resultados sorprendentes sobre cómo las partículas se forman y se rompen en estos fluidos. Observamos que a medida que aumentábamos la tasa de corte, la formación de cadenas se hacía más pronunciada. Sin embargo, en un cierto punto, estas cadenas comenzaban a descomponerse después de un período prolongado de corte constante.

Descubrimos que cuando el Número de Weissenberg, que proporciona una medida del equilibrio entre las fuerzas elásticas y viscosas en el fluido, superaba un cierto umbral, el comportamiento de cortante-debilitante del fluido mejoraba significativamente el autoensamble de cadenas de partículas. En términos simples, a altas tasas de corte, las propiedades del fluido favorecen la formación de largas cadenas de partículas.

Por otro lado, si el corte se mantenía por demasiado tiempo, las cadenas se romperían. Creemos que esta ruptura podría deberse a la descomposición mecánica de las interacciones entre las moléculas de PAM, que son responsables del comportamiento elástico del fluido.

#Aplicación del FISA en diferentes campos

El FISA tiene implicaciones prácticas en varios dominios:

1. Ciencia de Materiales: Al agregar pequeñas partículas a polímeros, podemos mejorar las propiedades mecánicas de los materiales resultantes. Esto podría llevar a productos más fuertes y duraderos.

2. Procesamiento de Alimentos: La capacidad de encapsular nutrientes en productos alimenticios usando microesferas o gotas de polímero puede mejorar la entrega de vitaminas y minerales al cuerpo.

3. Aplicaciones Biomédicas: En medicina, alinear partículas en dispositivos microfluídicos puede mejorar procesos diagnósticos y terapéuticos, como separar diferentes tipos de células para análisis.

Entender cómo ocurre el FISA en diferentes fluidos puede ayudar a los investigadores a diseñar mejores productos y procesos en estos campos.

#El debate sobre la alineación de partículas en flujo cortante

A pesar de su importancia, el mecanismo exacto que impulsa la alineación de partículas en flujo cortante sigue siendo un tema de debate. Los investigadores se centran principalmente en cómo las fuerzas elásticas y viscosas trabajan juntas en fluidos viscoelásticos para influir en este fenómeno. El número de Weissenberg juega un papel clave en esta discusión.

Mientras que algunos estudios sugieren que las fuerzas elásticas son cruciales para crear cadenas de partículas, otros argumentan que la propiedad de cortante-debilitante del fluido es la fuerza principal que permite una mejor alineación. Algunos investigadores han encontrado que la alineación de partículas ocurre dentro del volumen del fluido, no solo cerca de las paredes del contenedor, como se pensaba anteriormente.

#Nuestra metodología de investigación

En nuestro estudio, realizamos experimentos utilizando una celda de corte de cono y placa diseñada a medida para analizar los efectos de la viscoelasticidad del fluido en el FISA. Este montaje nos permitió ajustar las tasas de corte mientras observábamos la formación de cadenas de partículas.

Preparamos una suspensión diluida de perlas de poliestireno en una solución de PAM. Las mediciones de microrheología proporcionaron información sobre el comportamiento del fluido bajo diferentes condiciones. Estas observaciones nos llevaron a investigar cómo se formaron y evolucionaron las cadenas con el tiempo.

Obtuvimos imágenes de alta velocidad de la suspensión de partículas a medida que se aplicaba el corte, lo que nos permitió observar cómo se formaban y desaparecían las cadenas en tiempo real. Al analizar estas imágenes, pudimos cuantificar el número de partículas individuales y las diferentes longitudes de las cadenas a lo largo del tiempo.

#Observaciones sobre cadenas de partículas

A medida que monitoreamos el comportamiento de las partículas, notamos que:

• Formación de Cadenas: A bajas tasas de corte, las partículas no formaban cadenas significativamente. A medida que aumentaron las tasas de corte, el número de cadenas comenzó a aumentar.

• Longitud de Cadenas: Cuanto más largas eran las cadenas, más partículas contenían. Sin embargo, descubrimos que había un límite en cuánto tiempo podían permanecer estables estas cadenas bajo corte constante.

• Descomposición de Cadenas: A largo plazo, observamos una disminución en la longitud promedio de las cadenas, que atribuimos a la ruptura de estas cadenas de nuevo en partículas individuales en lugar de migrar lejos del plano focal.

#Explorando los mecanismos detrás del FISA

Para explicar por qué se descomponen las cadenas, consideramos las propiedades mecánicas de la PAM. Cuando se expone a un corte constante durante períodos prolongados, las interacciones entre las moléculas de PAM podrían debilitarse, lo que resulta en la descomposición de las cadenas de partículas. Esta degradación probablemente se deba a un proceso donde los enredos de las cadenas de polímero dentro del fluido se aflojan con el tiempo.

Una investigación adicional mostró que el proceso FISA varía según el tipo de fluido. En fluidos newtonianos, donde la viscosidad se mantiene constante, no vimos ninguna mejora en el FISA, confirmando que las propiedades del fluido juegan un papel crucial en el apoyo a la formación de cadenas de partículas.

#Conclusión

En conclusión, nuestro estudio destaca el impacto significativo que tienen las propiedades viscoelásticas de un fluido en el autoensamble de partículas bajo flujo cortante. Entender cómo se forman y descomponen las cadenas de partículas abre la puerta a aplicaciones mejoradas en varios campos, desde materiales hasta ingeniería biomédica. Aunque descubrimos muchos nuevos conocimientos sobre el FISA, todavía hay mucho más por explorar en esta área de investigación. Estudios continuos podrían llevar a una comprensión y aplicaciones aún mejores en el futuro, mejorando la forma en que utilizamos estos fenómenos en entornos prácticos.