材料科学家正在测量微米级小颗粒的滚动摩擦。这些测量使他们能够更好地理解如混凝土等日常产品。
对于 ETH 苏黎世的材料科学家来说，他们第一次测量微米级小颗粒的滚动摩擦。这些测量使他们能够更好地理解如混凝土等日常产品。
清漆、油漆、混凝土——甚至是番茄酱或橘子汁：悬浮液在工业和日常生活中广泛存在。材料科学家所说的悬浮液是指一种液体，其中微小的不可溶固体颗粒均匀分布。如果这种混合物中颗粒的浓度非常高，就会观察到与我们日常理解的液体相矛盾的现象。例如，这些所谓的非牛顿流体在受到强大力量作用时，突然变得更加粘稠。在短暂的一瞬间，液体表现得像固体。
这种突然的变稠是由悬浮液中存在的颗粒引起的。如果悬浮液被变形，颗粒必须重新排列。从能量的角度来看，尽可能让它们相互滚动是更有利的。只有在这种情况不再可能时，例如因为多个颗粒被卡住，它们才需要相对滑动。然而，滑动需要更大的力，因此液体在宏观上感觉更加粘稠。
在微观尺度上发生的相互作用因此影响整个系统，并决定悬浮液如何流动。为了优化悬浮液并特别影响其流动特性，科学家必须理解颗粒之间摩擦力的大小。
由界面和软物质教授 Lucio Isa 领导的 ETH 材料研究人员开发了一种测量直径仅为几个微米的单个颗粒之间摩擦力的方法。
研究人员使用所谓的原子力显微镜进行测量。博士生 Simon Scherrer 首先开发了一个微观的小支架，用于捕捉一个单一的球形颗粒。然后，他们使用原子力显微镜将这个“被捕获”的颗粒移到一个与颗粒具有相同特性的平面上。通过这种方式，研究人员能够模拟两个颗粒相互经过并测量表面之间的微小力。
所研究的颗粒非常小——直径仅为 12 微米，即 1200 万分之一米。因此，开发一种合适的测量技术以测量颗粒上发生的滚动摩擦特别困难。制作合适的支架特别具有挑战性。“我必须开发 50 个版本，直到找到一个符合要求的，” Scherrer 透露。
研究人员制作了不同的颗粒，以了解微小颗粒的表面如何影响悬浮液的行为。“具有光滑或非常光滑表面的颗粒，无论我们如何紧压它们，总是轻松滑动，” Scherrer 解释道。
而粗糙或粘性颗粒的情况则截然不同，因为这些颗粒像齿轮一样相互咬合，它们在很小的阻力下滚动。最后，研究人员将颗粒固定在支架上，以测量其滑动摩擦。这种摩擦要比滚动摩擦高得多，这解释了悬浮液的显著变稠。
研究人员能够直接从测量中推导出各颗粒的滚动和滑动摩擦系数。这些数字可以用于计算机模型，模拟高比例颗粒的悬浮液，从而确定最佳流动特性。这些对造成变稠的微观机制的洞察为优化用于工业、建筑或日常生活应用的悬浮液开辟了新的途径。
受益者可能包括混凝土行业或微电子制造商。后者已经在使用含有金属导电颗粒的浓悬浮液将元件焊接到电路板上。焊膏通过狭窄的喷嘴压出。如果压力过大，焊膏会突然变稠，堵塞喷嘴。
“为了防止这种行为并优化这样的悬浮液，我们必须精确了解颗粒在微观尺度上的行为以及在此过程中出现的力量，” Isa 说。
