Znak Politechniki Warszawskiej

Inteligentny płyn – ciecz zagęszczana ścinaniem

Ciecz zagęszczana ścinaniem

Twarda jak kamień ciecz? Tak, to możliwe. Płyny nienewtonowskie są znanym zjawiskiem, ale jak skutecznie wykorzystać ich właściwości? To z pewnością wie zespół z Katedry Technologii Chemicznej Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. Czym właściwie jest ciecz zagęszczana ścinaniem? – To płyn nienewtonowski, który charakteryzuje się gwałtownym wzrostem lepkości wraz ze wzrostem szybkości ścinania – tłumaczy prof. Mikołaj Szafran, kierownik Katedry Technologii Chemicznej.

W praktyce: jeśli zanurzamy do takiej cieczy bardzo powoli jakiś przedmiot, to swobodnie się w niej zapadnie. Natomiast, gdy chcielibyśmy do takiej cieczy włożyć coś bardzo gwałtownie, to ta ciecz natychmiast twardnieje i stawia opór wciskanemu w nią przedmiotowi.

Te właściwości postanowił wykorzystać zespół pod kierownictwem prof. Mikołaja Szafrana. 

Magia czy chemia?

W skład płynu zagęszczanego ścinaniem (ang. Shear Thickening Fluids, STF) wchodzą zazwyczaj twarde cząstki tlenków metali, takich jak krzemionka, korund, kaolin itp., znajdujących się w ciekłym związku organicznym. Chociaż płyny zagęszczane ścinaniem są znacznie mniej powszechne w przemyśle niż płyny rozrzedzane ścinaniem, zainteresowanie także tego typu materiałami rokrocznie znacząco wzrasta.

Właściwościami takiej cieczy można sterować w taki sposób, żeby zmieniać szybkość ścinania przy której wzrasta lepkość. Kontrolowanie zachowania takiej cieczy jest niezwykle istotne, kiedy chcemy wykorzystać jej właściwości w praktyce. Zespół naukowców z Politechniki Warszawskiej opracował również metodę otrzymywania takich cieczy, co jest kwestią niezwykle problematyczną, ponieważ ich właściwości są przeszkodą podczas ich otrzymywania. Nasi naukowcy opatentowali metodę, dzięki której są w stanie otrzymać takie płyny.

Elastyczny pancerz

Zespół prof. Szafrana zajmuje się cieczami zagęszczanymi ścinaniem już od 7 lat. Można wykorzystywać te substancje w kamizelkach czy pancerzach ochronnych, które podczas wykonywania ruchów nie powinny ograniczać swobody użytkownika. Jednocześnie w sytuacji, gdy ktoś nas atakuje, np. chce nas zranić nożem, ciecz ta twardnieje i absorbuje energię uderzenia.

Dzięki tej wiedzy we współpracy naukowców z Wydziału Chemicznego PW z zespołem prof. Marcina Leonowicza z Wydziału Inżynierii Materiałowej powstała ciecz zagęszczana ścinaniem do zastosowania w kamizelkach kuloodpornych. Innowacyjne wypełnienie kamizelek kuloodpornych zostało nagrodzone w plebiscycie Soczewek Focusa 2015. Projekt zrealizowany dzięki współpracy naukowców z Politechniki Warszawskiej, Wojskowego Instytutu Technicznego Uzbrojenia oraz Instytutu Technologii Bezpieczeństwa Moratex w Łodzi został uznany przez internautów najbardziej innowacyjnym wynalazkiem minionego roku.

Wygoda i bezpieczeństwo

Kolejnym zastosowaniem cieczy zagęszczanej ścinaniem są ochraniacze piłkarskie. Projekt „Inteligentne materiały do absorpcji energii i ochrony ciała człowieka” zakończył się w lutym 2016 roku. Naukowcy z PW opracowali prototyp ochraniaczy piłkarskich wypełnionych płynem nienewtonowskim.

Umiejętność sterowania parametrami cieczy w zależności od przyjętych założeń projektowych zaowocowało opracowaniem wysokiej jakości elastycznych ciekłych protektorów do ochrony piszczeli piłkarzy, które produkowane będą przez firmę Polsport. – Ideą było stworzenie nowej generacji nagolenników piłkarskich, które byłyby elastyczne i dostosowywałyby się do nogi – tłumaczy prof. Szafran.

Ochraniacze te będą elastyczne i wygodne w użyciu dla piłkarza, ale jednocześnie będą chroniły go przed atakiem rywala z drużyny przeciwnej. – Chodzi o to, żeby bolało tego, co kopie, a nie tego, co jest kopany – śmieje się profesor.

To nie koniec badań

Materiały, o których wiedza pogłębiana jest na Wydziale Chemicznym i Wydziale Inżynierii  Materiałowej (czego efektem są również prace dyplomowe na ten temat), mogą znaleźć zastosowania w wielu obszarach, gdzie wymagana jest elastyczność w trakcie normalnej eksploatacji, a w nagłych przypadkach, np. groźby urazu, gwałtowne utwardzanie.

Gdzie jeszcze można by wykorzystywać właściwości cieczy utwardzanych ścinaniem? W wypełnieniach kasków, wkładkach do butów, do nart amortyzujących wstrząsy, ochraniaczach dla rowerzystów, czy nawet w wypełnieniach pod budynki narażone na wstrząsy sejsmiczne.

Monika Bukowska
Biuro Promocji i Informacji