Wissenschaftler erforschen die Elastizität kolloidaler Suspensionen

24. Juli 2023

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Experimente zeigen, dass die Elastizität kolloidaler Suspensionen unter den richtigen Bedingungen einen bestimmten Wert erreicht, der sowohl von der auf das Material ausgeübten Verformung als auch von der Anziehungskraft zwischen seinen festen Partikeln abhängt.

Das Verhalten kolloidaler Materialien – bei denen winzige Feststoffpartikel in einer Flüssigkeit suspendiert sind – hängt stark davon ab, wie die Partikel miteinander interagieren. Ein Team unter der Leitung von Pascal Hébraud von der Universität Straßburg (Frankreich) zeigt anhand neuer Forschungsergebnisse, die im European Physical Journal E veröffentlicht wurden, wie unter bestimmten Bedingungen die Elastizität von Kolloiden auf Kieselsäurebasis, die oszillierenden Strömungen ausgesetzt sind, bei einem bestimmten Wert ihren Höhepunkt erreicht.

Ihre Entdeckung könnte zu verbesserten Techniken zur Manipulation des Verhaltens kolloidaler Materialien führen, die in so weitreichenden Bereichen wie der Materialwissenschaft, der Lebensmitteltechnologie, dem Bauwesen und der Nanotechnologie eingesetzt werden.

Wenn suspendierte Kolloidpartikel genau auf die richtige Dichte gepackt werden, können sie Netzwerke aus sich berührenden Partikeln bilden, die Kräfte durch das Material übertragen. Während das Material fließt, aggregieren immer mehr Partikel in diesen Netzwerken und setzen sie dadurch zunehmender Belastung aus.

Letztendlich kann dies dazu führen, dass sich Partikel zu neuen Netzwerken neu anordnen, deren endgültige Strukturen aus einem Wettbewerb zwischen den Anziehungskräften zwischen den Partikeln und den Kräften, die sie auseinanderbrechen, resultieren. Wenn kolloidale Suspensionen kontinuierlich fließen, lösen sich diese Netzwerke ständig auf und ordnen sich neu. Dies kann sich jedoch ändern, wenn der Strömung kleine Schwingungen hinzugefügt werden.

Durch eine Reihe von Experimenten führte Hébrauds Team leicht oszillierende Strömungen in eine Suspension von Siliziumdioxidpartikeln in einer Salzlösung ein. Sie fanden heraus, dass der Wettbewerb zwischen Partikelanziehung und -zerfall dazu führte, dass sich die Elastizität des Materials im Laufe der Zeit veränderte, aber auch einen bestimmten Wert erreichte. Die Position dieses Peaks hing sowohl von der auf das Material ausgeübten Verformung als auch von der Anziehung zwischen den Silikatpartikeln ab – die das Team durch Variation des Salzgehalts der Lösung veränderte. Hébraud und Kollegen wollen nun neue mathematische Gesetze entwickeln, um ihre Beobachtungen zu beschreiben.

Wenn dies gelingt, könnte dies den Forschern letztendlich dabei helfen, die Leistungsfähigkeit kolloidaler Suspensionen noch weiter zu steigern.

Mehr Informationen: Maxime Liard et al., Aggregationskinetik einer konzentrierten kolloidalen Suspension unter Oszillationsströmung, The European Physical Journal E (2023). DOI: 10.1140/epje/s10189-023-00294-7

Zeitschrifteninformationen:European Physical Journal E

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