研究人员在压力下像固体一样捕获了难以置信的流体“压裂”画面

当空气被迫进入玉米淀粉悬浮液时，来自高速相机的三个连续帧。突然的剪切增稠使其像固体一样破裂。一旦断裂前沿通过，悬浮液便“融化”回液体。

斯旺西大学工程学院的研究人员通过一种在加压条件下观察流体的新方法，捕捉到了流体像固体一样发生反应的瞬间。

该研究来自创新材料，加工和数值技术研究所（IMPACT）内的Complex Flow Lab。该实验室研究了在颗粒状材料，多孔介质和复杂流体（例如泡沫，凝胶和糊状物）中经常形成的复杂流动模式。

这项最新研究着眼于对应力具有类似固体响应的流体，这种现象称为不连续剪切增稠（DST）。这是当液体（在这种情况下为玉米淀粉混合物）突然变稠并在受到干扰时变为固体时。

测试涉及一种新的观察方法，该方法包括高速相机，其结果为未来的工程实践提供了创新的方法。

流体对应力具有类似固体的响应：一种由斯旺西大学研究人员捕捉到的称为不连续剪切增稠（DST）的现象。该素材显示了粘性指法。当玉米粉的浓度和空气压力都高到足以引起DST响应时，我们观察到空气通过狭窄的分支裂缝侵入，表明流体表现为固体。该镜头以每秒1000帧的速度拍摄，但以每秒24帧的速度显示。因此，每秒钟显示的视频等于实时的0.024秒。

研究作者Deren Ozturk博士最近完成了该领域的博士学位，他评论道：

“我们的发现对新兴的DST研究领域特别感兴趣，因为它是DST行为的一种新颖的视觉指示，可用于校准未来的理论模型。DST现象正在针对独特的工程应用进行研究，例如防弹衣，“智能”减速带和食品生产。

研究小组使用了普通厨房玉米淀粉和水的混合物。然后将其放置在狭窄的牢房中。压缩空气被释放到玉米淀粉-水流体中并迫使其通过。

使用高速摄影机拍摄空气如何逃逸，以可视化入侵模式-取决于玉米淀粉的浓度和空气中的压力，其表现为流体状的手指还是固体状的断裂。

Ozturk博士继续说道：

“我们使用玉米淀粉（作为更广泛的剪切增稠材料类别的模型系统），因为它方便，广泛可用并且显示出显着的剪切增稠响应。由于以前没有在DST流体上进行过这种入侵实验（我们有很多经验），因此我们的主要目标是尝试进行尝试，以期看到一些有趣的东西。

我们的主要假设是，如果受到足够的压力，流体将像固体一样“破裂”。这将是一件很棒的事情，因为液体应该显示出宽阔的手指图案。因此，我们很高兴看到狭窄的压裂响应，因为这意味着我们已经开发出一种新型的实验来探究观察到DST的条件。

三种流模式：剩下：低浓度和低注入速率的圆形液体状“粘性手指”。中：悬浮液可逆地剪切增稠成固体时的树状裂缝。对：当悬架如此密集以至于在注入空气时它会完全堵塞，从而导致大的破裂。

复杂流实验室负责人Bjornar Sandnes博士的合著者评论：

“这里研究的玉米淀粉特别有趣的是，可以像开关一样打开或关闭摩擦。

当仅受到轻微干扰时，颗粒会相互排斥，并且由于它们不接触，因此没有摩擦，并且物料像液体一样流动。

但是，用力更强地搅动它，使谷物相互接触，以使摩擦使谷物自由滑动。然后，材料的行为更像是固体，也就是说，当我们在实验中观察到破裂时。”

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该论文发表在《通信物理学》上。它是项目的一部分：由EPSRC资助的由粘滞力和毛细作用力（FriicFlow）形成的摩擦流动模式–一项研究，研究了流体所携带的颗粒之间的摩擦如何改变流体的流动行为。

参考：Deren Ozturk，Miles L. Morgan和BjørnarSandnes撰写的“在不连续的剪切增稠流体中流向断裂的过渡和模式形成”，2020年7月3日，通信物理。DOI：
10.1038 / s42005-020-0382-7

它是斯旺西大学（IMPACT），牛津大学和挪威PoreLab卓越中心的合作。

IMPACT行动由欧洲区域发展基金会通过威尔士政府和斯旺西大学提供部分资金。