27.11.2020
PL EN
08.11.2020 aktualizacja 08.11.2020

Elektryzujące zestalanie się cieczy lepiej zrozumiane

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Ciecz elektroreologiczna pod wpływem pola elektrycznego w krótkim czasie zwiększa swoją lepkość i tworzy ciało stałe. Grupa z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej wyjaśnia, na czym to zjawisko polega.

Wyniki w czasopiśmie „Physica D: Nonlinear Phenomena” opublikowali: doktorant mgr inż. Michał Łepek oraz profesorowie PW dr hab. inż. Agata Fronczak i dr hab. inż. Piotr Fronczak. O badaniach informuje w komunikacie na swojej stronie Politechnika Warszawska.

Ciecz elektroreologiczna wydaje się zwyczajną cieczą do momentu, kiedy pojawia się odpowiednie pole elektryczne. Wtedy zaś ciecz zaczyna koagulować i zachowuje się jak ciało stałe. I tak np. jeśli włączy się napięcie między elektrodami zanurzonymi w cieczy, powstaje między nimi "mostek". "Mostek" ten się rozpływa, kiedy napięcie znika.

PW podsumowuje, że 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" – wylicza Michał Łepek z PW.

Filmik pokazujący, jak zmienia się działanie cieczy elektroreologicznej, kiedy w elektrodach włącza się napięcie elektryczne i kiedy się je wyłącza można obejrzeć tutaj.

Do tej pory brakowało jednak ścisłego i efektywnego opisu teoretycznego, co tam się dzieje. Aż zagadkę tę rozgryźli badacze z PW. Zaproponowali teoretyczne wyjaśnienie 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).

"W naszej pracy wyprowadziliśmy równania, pozwalające wyznaczyć średni rozkład wielkości tworzących się łańcuchów na dowolnym etapie procesu scalania cząstek – mówi 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".

Jak podsumowuje uczelnia, 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.

Filmik pokazujący w dużym zbliżeniu, co się dzieje w cieczy elektroreologicznej pod wpływem napięcia.

"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 (...). 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" - mówi.

"Wzory, które uzyskaliśmy, są - z naszego punktu widzenia - bardzo proste" – zaznacza Michał Łepek. I dodaje, że 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".

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" - kończy.

Pełen materiał dostępny na stronie PW.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2020