Auf die Rauheit kommt's an

ETH-Forscherinnen und -Forscher um Lucio Isa haben aufgeklärt, wie die Oberflächenbeschaffenheit von Mikrokügelchen den sprunghaften Anstieg der Viskosität von Suspensionen beeinflusst. Damit legen sie die Grundlage für Anwendungen wie gut fließenden Zement.

Im Internet findet man Videos, in denen Leute ihren Spaß haben, über weißen Schlamm zu rennen. Fast sieht es aus, als könnten sie über Wasser gehen. Bleiben die Personen jedoch stehen, versinken sie langsam. Bei dem Schlamm handelt es sich in der Regel um eine konzentrierte Suspension aus Maisstärke und Wasser. Nach einem in Amerika bekannten Kinderbuchklassiker wird eine solche Masse umgangssprachlich Ooblek genannt, Materialwissenschaftler nennen es eine nicht-newtonische Flüssigkeit. Anders als normale (sogenannt newtonische) Flüssigkeiten kann sie dicker (viskoser) werden, wenn eine schnell ändernde, starke Kraft auf sie einwirkt. Für einen kurzen Moment verhält sie sich wie ein Festkörper. Wirkt die Kraft hingegen stetig und schwach, fließt sie wie eine normale Flüssigkeit. Dieses Phänomen tritt bei allen Suspensionen mit hoher Teilchendichte auf, etwa auch bei Zement, so Lucio Isa, Professor für Grenzflächen an der ETH Zürich. Wird Zement mit zu hoher Geschwindigkeit durch eine Röhre auf eine Baustelle gepumpt, verstopft die Röhre.

Höhere Reibung dank rauer Oberfläche

Der Grund dafür liegt unter anderem in der Oberflächenbeschaffenheit der festen Suspensionsanteile: Wirkt eine Kraft plötzlich können die festen Partikel nicht schnell genug ausweichen. Sie kommen miteinander in Kontakt, reiben sich aneinander und blockieren sich gegenseitig. Je rauer die Oberfläche der Teilchen, desto höher ist die Reibung.

Die Forscher nutzten nun diese Eigenschaften, um den sprunghaften Anstieg der Viskosität in einer konzentrierten Suspension gezielt zu steuern. Statt mit Maisstärke «spielten» Isa und seine Kollegen mit einheitlichen mikrometergroßen Silikatpartikeln mit rauer Oberfläche. Die Partikel gleichen winzigen Himbeeren; die Wissenschaftler verwendeten sie bereits in früheren Studien (vgl. ETH News vom 14.06.2017). Chiao-Peng Hsu, Doktorand von Isa und seinem Kollegen Nicholas Spencer, erarbeitete eine Methode, mit der er in kurzer Zeit eine ganze Bibliothek verschiedener solcher Himbeerpartikel mit unterschiedlich rauer Oberfläche erstellen kann.

Höhere Viskosität trotz weniger Partikel

Mit diesen Partikeln stellten die Forscher Suspensionen her, die sie auf deren plötzlichen Viskositätsanstieg unter Krafteinwirkung testeten. Dabei zeigte sich: je rauer die Partikel waren, desto weniger von ihnen mussten die Forscher in eine Suspension geben, um die sprunghafte Verfestigung zu erzielen. Hatten Partikel hingegen eine glatte Oberfläche, mussten die Forscher größere Mengen davon der Suspension hinzufügen, bis sie die plötzliche Verfestigung beobachten konnten.

Dank rauen Partikeln lässt sich gemäß den Forschern Material sparen: Ihr Anteil am Gesamtvolumen einer Suspension kann wesentlich tiefer liegen als derjenige von glatten Partikeln, um den gleichen Effekt zu erzielen.

Mischten die Forscher raue und glatte Partikel in einer Suspension, trat die Verfestigung ebenfalls früher auf als in Suspensionen, in denen nur glatte Partikel vorlagen. Die ETH-Forscher fanden heraus, dass nur gerade sechs Prozent glatte Kügelchen in einer Mischung ausreichten, um den Zeitpunkt des sprunghaften Viskositätsanstiegs markant zu verzögern. Das ist, wie wenn man Kugellagerkugeln und Zahnräder mische. Die Zahnräder verhaken sich relativ leicht und bilden eine stabile Kette. Die glatten Kügelchen können diese jedoch durchbrechen und erleichtern dadurch das Fließen der Suspension.»

Um zu untersuchen, wie groß die Reibung zwischen einzelnen Partikeln ist, befestigten Hsu und seine Kollege Shivaprakash Ramakrishna ein einziges, einen halben Mikrometer messendes Partikel auf einem Kantilever eines Atomrasterkraftmikroskops. Dieses Partikel bewegten die Forschenden über unterschiedlich raue Modell-Oberflächen, indem sie den Kantilever um wenige hundert Nanometer verschoben und dabei maßen, um wie viele Grad der Kantilever kippte. Je stärker die Reibung, desto grösser war der Verkippungswinkel. Mit einem solchen Partikel auf einem Kantilever zu arbeiten, war extrem schwierig, da die Dimensionen unvorstellbar klein sind.

Ob die Erkenntnisse in Anwendungen einfließen, ist derzeit nicht klar. Die Studie diente in erster Linie der Grundlagenforschung. Das Ziel war zu untersuchen, wie die Nano- und Mikrostruktur verändert werden können, um das Materialverhalten auf makroskopischer Ebene zu beeinflussen. Das ist gelungen. Die Erkenntnisse kann man an sich auf Alltägliches wie Zement übertragen. Wenn man die Oberflächen von Körnern und deren Mischung im Zement den Erkenntnissen gemäß anpassen könnte, kann man dessen Fließeigenschaften optimieren.

Dickflüssige Suspensionen mit sprunghafter Verfestigung werden aber auch für andere Zwecke gebraucht, zum Beispiel nutzt ein amerikanischer Hersteller dickflüssige Suspensionen, um schuss- und stichfeste Sicherheitswesten zu entwickeln. Die Studie könnte einen Beitrag dazu leisten, solche Anwendungen zu verbessern.

Literaturhinweis: Hsu C-P, Ramakrishna SN, Zanini M, Spencer ND, Isa L. Roughness-Dependent Tribology Effects on Discontinuous Shear Thickening. PNAS, published ahead of print April 30th, 2018. DOI 10.1073/pnas.1801066115

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