Czy można szczegółowo przewidzieć proces powstawania ciała stałego z cieczy?

Pod wpływem pola elektrycznego w bardzo krótkim czasie zwiększa swoją lepkość i tworzy… ciało stałe. To główna właściwość cieczy elektroreologicznej. Przez lata znalazła szereg zastosowań, ale brakowało dobrego teoretycznego wyjaśnienia tego, jak powstaje. Aż do teraz. Wszystko zmieniło się za sprawą grupy z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

Nasi naukowcy: doktorant mgr inż. Michał Łepek, dr hab. inż. Agata Fronczak, prof. uczelni i dr hab. inż. Piotr Fronczak, prof. uczelni efekty swoich badań opisali w pracy „Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains”, opublikowanej w czasopiśmie „Physica D: Nonlinear Phenomena”[1].

Jak zlepiają się cząstki?

Prowadzone przez badaczy z PW prace zaowocowały rozwiązaniem teoretycznym procesu koagulacji („zlepiania się” cząstek), w którym następuje tworzenie tzw. łańcuchów liniowych, czyli grup cząstek ułożonych w łańcuchy. Najbardziej znanym przykładem takiego procesu jest koagulacja cieczy elektroreologicznej. Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości zalicza się ją do tzw. materiałów inteligentnych (smart materials).

– Przy obecności pola elektrycznego ciecz taka zostaje zatrzymana w postaci zestalonej pomiędzy elektrodami – wyjaśnia Michał Łepek. – W momencie wyłączenia pola elektrycznego układ wraca do postaci ciekłej.

Ponad 70 lat czekania

Ciecz elektroreologiczna została opatentowana w 1947 roku przez amerykańskiego naukowca Willisa Winslowa.

– Przez lata znalazła różnorodne zastosowania inżynierskie, m.in. w hamulcach, sprzęgłach, amortyzatorach, zaworach hydraulicznych, polerowaniu ściernym i wyświetlaczach dotykowych [2–8] – wylicza Michał Łepek.

Do tej pory brakowało jednak ścisłego i efektywnego opisu teoretycznego procesu koagulacji takiej cieczy.

– W naszej pracy „Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains” wyprowadziliśmy równania, pozwalające wyznaczyć średni rozkład wielkości tworzących się łańcuchów na dowolnym etapie procesu scalania cząstek – tłumaczy Michał Łepek. – Rozwiązania te dostarczają także informacji na temat odchylenia standardowego od średniego rozkładu (jakże przydatne w pracy z rzeczywistymi danymi!). Rozwiązania teoretyczne porównaliśmy z wynikami symulacji numerycznych oraz z danymi eksperymentalnymi. Skorzystaliśmy z wyników eksperymentu, którym była agregacja cząstek polistyrenu w mieszaninie H2O i D2O, czyli wody i ciężkiej wody.

Naukowcy z Wydziału Fizyki PW otrzymali bardzo dobrą, niespotykaną do tej pory zgodność. W ten sposób, co podkreślili także recenzenci, po ponad 70 latach od wynalezienia cieczy elektroreologicznej w końcu uzyskano satysfakcjonujące rozwiązanie teoretyczne tego procesu.

Pomoc dla innych

– Nasza praca daje konkretny opis statystyczny cząstek w dowolnym momencie koagulacji – mówi Michał Łepek. – Można ten opis wykorzystać do lepszego zrozumienia dynamiki procesu i być może do polepszenia sprawności urządzeń, które korzystają z koagulacji elektroreologicznej (wspomniane wcześniej hamulce, zawory, sprzęgła…). Niewykluczone, że opis ten może się przydać szerzej w wyjaśnianiu zjawisk, zachodzących w zawiesinach nanocząsteczkowych, które mogą być elektrycznie lub magnetycznie aktywne. Nie można wykluczyć (ale to już czyste fantazjowanie), że za rok, dwa lub pięćdziesiąt ktoś odkryje proces w socjofizyce lub biologii, który zachodzi dokładnie według rozpracowanego przez nas schematu agregacji – takie rzeczy w nauce się zdarzają.

Praca naszych naukowców z Wydziału Fizyki ma także inną zaletę.

– Wzory, które uzyskaliśmy, są (z naszego punktu widzenia) bardzo proste – zaznacza Michal Łepek. – Nie potrzeba żadnej wiedzy z fizyki ani tym bardziej fizyki teoretycznej, żeby je zastosować. Wystarczy wziąć równania, wpisać, jaki rozmiar układu i czas nas interesują, i otrzymujemy wynik. Każdy inżynier (lub też nieinżynier) może to zrobić na swoim komputerze. Tym bardziej, że zamieściliśmy w Internecie bibliotekę programistyczną, napisaną właśnie na potrzeby tej pracy. Wszystko jest zatem podane na tacy. To nowość. Do tej pory teoretyczne studia nad koagulacją były tematem podejmowanym głównie przez wąską grupę naukowców. Liczę, że dzięki uproszczeniu wyników opisu teoretycznego, ktoś z politechniki naszej lub innej będzie w stanie ten opis wykorzystać do swojej pracy.

Nowe badania

Teraz zespół z PW chce zbadać, czy opracowany opis koagulacji elektroreologicznej można zastosować też do koagulacji magnetoreologicznej (czyli tej pod wpływem pola magnetycznego).

– To byłoby szczególnie ciekawe, bo warunki dla koagulacji magnetoreologicznej dużo łatwiej otrzymać w rzeczywistym zastosowaniu – zwraca uwagę Michał Łepek. – Ciecz magnetoreologiczna jest używana chociażby w amortyzatorach pojazdów armii amerykańskiej.

Źródła:

[1] M. Łepek, A. Fronczak, P. Fronczak: Physica D: Nonlinear Phenomena 415, 132756 (2021), Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains.

[2] A.J. Simmonds: IEE Proceedings D 138, 400-404 (1991), Electro-rheological valves in a hydraulic circuit.

[3] G.J. Monkman: Mechatronics 7(1), 27–36 (1997), Exploitation of compressive stress in electrorheological coupling.

[4] M. Seed, G.S. Hobson, R.C. Tozer, A.J. Simmonds: Proc. IASTED Int. Symp. Measurement, Sig. Proc. and Control, Paper No. 105–092–1 (1986), Voltage-controlled Electrorheological brake.

[5] R. Stanway, J.L. Sproston, A.K. El-Wahed: Smart Mater. Struct. 5, 464–482 (1996), Applications of electro-rheological fluids in vibration control: a survey.

[6] W.B. Kim, S.J. Lee, Y.J. Kim, E.S. Lee: International Journal of Machine Tools and Manufacture 43(1), 81-88 (2003), The electromechanical principle of electrorheological fluid-assisted polishing.

[7] Y. Liu, R. Davidson, P. Taylor: Proceedings of SPIE. Smart Structures and Materials 2005: Smart Structures and Integrated Systems 5764, 92–99 (2005), Investigation of the touch sensitivity of ER fluid based tactile display.

[8] G.J. Monkman: Presence: Teleoperators  and  Virtual  Environments 1(2), 219–228 (1992), An Electrorheological Tactile Display.