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形状変化粒子により、流体の流れと剛性を温度制御できます

クレジット：CC0パブリックドメイン 1瞬間自由に流れる液体を想像してから、次の段階でほぼ固体に硬くなり、温度の単純な変化で戻ってくることができます。シカゴ大学プリッツカー大学分子工学学校とNYU Tandonの研究者は、現在、そのような材料を開発し、その形状と剛性をオンデマンドで変えることができる小さな粒子を使用しています。 彼らの研究論文、「シェイプメモリの寄付された液晶粒子の懸濁液における調整可能なせん断肥厚、老化、および若返り」、 国立科学アカデミーの議事録、ストレスの下で密な懸濁液（流体中の固体粒子の混合）をどのように密な懸濁液を調節するかを実証します。 これらの新しい粒子は、液晶の構造をゴムの柔軟性と組み合わせた材料である液晶エラストマー（LCES）から作られています。加熱または冷却すると、粒子は形を変えます。それらは柔らかくなり、より高い温度で丸くなり、低いもので不規則な角度形態に硬くなります。この変更は、サスペンションがどのように流れるかに劇的な影響を及ぼします。 滑らかなものから硬いものまで、再び戻ってきます 密な懸濁液は、塗料、歯磨き粉、セメントなどの日常の製品に見られます。特定の条件下では、これらの材料は、せん断肥厚として知られる挙動である、事前に不定の動作を促進する可能性があります。場合によっては、肥厚が非常に極端になり、材料が詰まって完全に流れるのを止めます。これは、滑らかで一貫した流れが不可欠な処理と製造に問題を引き起こす可能性があります。 Uchicago PMEの分子工学教授Stuart RowanとJuan de Pabloが共同主導した研究チームは、以前はUchicagoで、現在はNYUのグローバルサイエンステクノロジーのエグゼクティブバイスプレジデントであり、NYU Tandon School of Engineeringのエグゼクティブディーンは、シェープが合成中にプログラムされているLCE粒子を設計しました。彼らは、より不規則な「ジャガイモ型の」粒子から作られた懸濁液は、より滑らかな「エンドウ型」のものから作られたものよりもはるかに多くのストレス下で肥厚することを発見しました。 しかし、重要なブレークスルーは温度制御を伴うものでした。低温では、ジャガイモ型の粒子は硬く不規則であり、その懸濁液は強いせん断肥厚を示しました。しかし、温度が45〜50°Cを超えて上昇すると、粒子はより柔らかく丸い形に変換され、懸濁液は攪拌したりポンプしたりするのがはるかに簡単になりました。研究者は、この変化が何度も何度も繰り返される可能性があることを示しました。 「基本的な挙動は、コーンで澱粉と水で観察するものに似ています。小さなせん断の下で材料は液体ですが、高せん断に提出すると、それは固体です。このようなせん断挙動に役割を果たすいくつかの要因があります。 Chuqiao Chen、研究の最初の著者および博士号研究時にシカゴ大学のプリッツカーの分子工学学校の候補者は、「狭い温度窓で、詰まった厚い状態から自由に流れる状態に完全な移行が見られました。それは、流体の動作にスイッチをめくるようなものです。」 最新の科学、技術、スペースを発見してください 100,000人の加入者 毎日の洞察をPhys.orgに頼っている人。無料のニュースレターにサインアップし、問題が重要なブレークスルー、イノベーション、研究の最新情報を入手してください。毎日または毎週。 記憶付きのサスペンション 時間が経つにつれて、流れがない場合でも、粒子懸濁液は「老化」として知られるプロセスで、より固体のような状態に落ち着く傾向があります。粒子は一緒に凝集し、動きに抵抗する構造を形成します。密な材料で一般的なこの動作は、保管後にそれらを扱うのを難しくすることができます。 ただし、LCEベースのサスペンションにはソリューションが組み込まれています。老化した懸濁液が形状移動温度を上回ると、粒子が球形に緩和され、クラスターがバラバラになりました。懸濁液は流体状態に戻り、事実上それ自体をリセットしました。この変換は、攪拌や混合を必要とせず、短い加熱と冷却サイクルだけでした。 温度で粒子の形状と剛性の両方を制御する能力は、研究者が密度の高い液体の振る舞いについてまったく新しいハンドルを与えます。従来、懸濁液の流れ特性を調整するには、存在する粒子の数を調整するか、流体の化学を修正する必要がありました。このアプローチを使用すると、温度を変更するだけで同じサスペンションを調整できます。 潜在的な用途は幅広いものです。たとえば、添加剤の製造（3D印刷）では、詰まりや流れの制御を防ぐことが大きな懸念事項です。産業の混合では、肥厚挙動を「オフ」することができると、効率を改善することができます。チームの調査結果は、控えめな暖房や冷却でさえこれを達成できることを示唆しています。 この研究は、コンテンツを変更することではなく、その部分がどのように配置され、どのように相互作用するかを変更することで、キューで流れることができる材料への道を開きます。 詳細： Rowan、Stuart J. et al、Tunable Shear肥厚、老化、および形状メモリーに囲まれた液晶粒子の懸濁液における若返り、 国立科学アカデミーの議事録 （2025）。…