&bala; Física 18, 107
Para uma ampla gama de fluidos complexos, a transição de um sólido em repouso para o líquido quando empurrado pode ser previsto a partir das propriedades do estado de restrição.
Fluidos complexos, como ketchup ou creme dental, podem mudar de um estado de um sólido para um estado de líquido quando submetido a um estresse, como agitação ou aperto. Os detalhes dessa mudança podem ser cruciais em áreas como ciência de alimentos e cosméticos. Uma equipe de pesquisa mostrou agora que o ponto em que a transição sólida para líquido ocorre pode ser prevista a partir das propriedades da substância, enquanto ainda é um sólido (1). Esse perception pode orientar o design e o controle dessa classe industrialmente importante de fluidos.
Os materiais que passam por uma mudança induzida por estresse nas propriedades de fluxo são chamados de fluidos de tensão de escoamento (YSFs) e incluem alimentos como creme e produtos de consumo, como cremes para o rosto, diz Ryan Poling-Skutvik, da Universidade de Rhode Island, em Kingston. A chamada transição de rendimento “controla a quantidade de força que você precisa aplicar para espremer creme dental do tubo”, diz ele. Também determina as condições de processamento para muitas substâncias poliméricas usadas na fabricação.
Os YSFs são materiais viscoelásticos, que exibem comportamentos parcialmente entre sólidos e líquidos. Esses materiais são frequentemente caracterizados por duas propriedades: o módulo de armazenamento G ‘ representa a quantidade de energia armazenada no materials como resultado da deformação (como em uma mola comprimida), enquanto o módulo de perda G “ Representa a quantidade de energia dissipada através do atrito interno (viscosidade). O valor de cada parâmetro mede o grau em que o materials é, respectivamente, mais parecido com sólido ou mais líquido.
Para o estojo mais sólido, diz Poling-Skutvik, think about um YSF como tendo uma microestrutura “como uma rede de elásticos de borracha” representando moléculas de polímero em forma de corrente. Com o estresse aplicado o suficiente, o fluxo começa e as bandas começam a deslizar umas pelas outras, dissipando energia através do atrito. “Por mais de um século, sabemos que muitos materiais passam por essa transição de rendimento”, diz Poling-Skutvik, “mas nunca conseguimos prever quando a transição ocorre”.
Estúdio Beau Jones
Para estudar a transição, a equipe fez medições em um gel de modelo YSF composto por um polímero disperso em uma mistura de água e decanol de álcool. A mistura possui uma consistência viscoelástica, semelhante a gel, que é ajustável alterando a concentração de polímero. Poling-Skutvik e colegas induziram uma transição de rendimento sacudindo esse fluido entre duas placas paralelas, usando uma técnica padrão: uma das placas executa oscilações rotacionais em várias frequências e amplitudes, como o agitação de uma garrafa de ketchup. Das medidas da relação entre força e deformação do materials (tensão versus tensão) no fluido, eles calcularam G‘ e G“.
Muitos YSFs são conhecidos por ter uma “ultrapassagem” de G“Na transição do rendimento, onde o valor dessa quantidade atinge o máximo à medida que a amplitude do tremor aumenta, apenas para diminuir em amplitudes ainda mais altas (2). Os pesquisadores identificaram uma característica common deste superação para muitos YSFs: a dependência do superação da proporção G“/G‘No fluido em repouso foi o mesmo para todas as composições testadas. Essa proporção, chamada de perda tangente, é uma medida de quanto o materials se comporta como um líquido em comparação com o quanto ele se comporta como um sólido.
Além disso, os pesquisadores encontraram comportamento semelhante para outros tipos de YSFs medidos anteriormente, como hidrogéis e suspensões coloidais (onde partículas microscópicas se dispersaram em um grupo de solventes em cadeias e redes). Tudo se encaixa na mesma curva de G“O excesso de onda trocou a perda tangente.
Os pesquisadores dizem que esse resultado é surpreendente porque a perda tangente é avaliada quando o materials é como um sólido, enquanto o G“O excesso ocorre durante a transição de rendimento. Assim, diz Poling-Skutvik, os resultados implicam que” a mesma física que controla como os polímeros flutuam sob pequenas deformações (quando o materials é um sólido) também desempenha um papel na maneira como fluem sob grandes deformações “. E ele diz que o mesmo se aplica a outros YSFs não poliméricos.
As descobertas são novas e contra-intuitivas, diz o físico de matéria suave Thibaut Divoux, do Ecole Normale Supérrieure, em Lyon, França. Eles levantam muitas questões, acrescenta, especialmente porque o relacionamento vale para materiais com microestruturas muito diferentes. De fato, Divoux encontrou o mesmo comportamento quando aplicou a análise dos pesquisadores a resultados publicados em materiais como géis de gelatina que não são YSFs porque o rendimento não é revertido quando a tensão é removida.
O rendimento de YSFs ocorre em muitos processos industriais, diz Poling-Skutvik, como lascas coloidais usadas na fabricação de baterias e plásticos usados para impressão 3D. Ele acredita que as descobertas ajudarão no design de tais materiais, por exemplo, plásticos que fluem através do bico de impressão, mas mantêm sua forma uma vez entregue. Divoux concorda que o relacionamento “pode servir de diretriz para criar materiais como os usados em alimentos e cosméticos”.
–Filip Ball
Philip Ball é um escritor de ciências freelancer em Londres. Seu último livro é Como a vida funciona (Picador, 2024).
Referências
- DP Keane et al.“Relação common entre viscoelasticidade linear e rendimento não -linear em materiais macios”. Phys. Rev. Lett. 134208202 (2025).
- GJ Donley et al.“Elucidando a superação do G ″ em materiais macios com uma transição de rendimento por meio de uma decomposição experimental de tensão experimental resolvida no tempo”. Proc. Natl. Acad. Sci. EUA 117 (2020).
