US-Forscher klären Festphaseneigenschaften

Entdeckung der University of Rhode Island vereinfacht Design neuer Substanzen wie Zahnpasta

Zahnpasta: fließt ab einem bestimmten Moment aus der Tube (Foto: pixabay.com, stevepb)

Kingston (pte004/04.06.2025/06:15)

Den Punkt, an dem ein Feststoff in eine Flüssigkeit übergeht, können Forscher um Ryan Poling-Skutvik von der University of Rhode Island allein anhand der Eigenschaften der festen Phase vorhersagen. Die Forschungsergebnisse hat das Team in den "Physical Review Letters" publiziert.

Fließverhalten analysiert

Ihre Arbeit konzentriert sich auf das Fließverhalten - ein Phänomen, bei dem sich ein festes Material wie eine Flüssigkeit zu verhalten beginnt. "Dieses Verhalten tritt ständig um uns herum auf, von Desserts wie Pudding, die sanft auf den Löffel fließen, bis hin zu Körperpflegeprodukten wie Zahnpasta, die sich leicht aus der Tube drücken lässt, aber auf der Zahnbürste ihre Form behält", so Poling-Skutvik.

Solche Substanzen verändern sich, wenn genug Spannung erzeugt wird. Der Punkt der Veränderung wird als "Fließgrenze" bezeichnet, und die Substanz als "Fließspannungsflüssigkeit". "Das kommt aber auch in komplexeren Anwendungen vor, um das Wachstum von Geweben zu steuern, indem das Zellwachstum und der 3D-Druck berücksichtigt werden, bei denen Flüssigkeiten durch eine Düse fließen müssen und erstarren, wenn sie fertig sind", sagt Poling-Skutvik.

Parallele Platten im Einsatz

Die Fachleute haben zunächst ein YSF-Gel aus einem Polymer genutzt, das in einem Gemisch aus Wasser und Alkohol Decanol verteilt war. Seine Dichte hing von der Polymerkonzentration ab, die im Laufe der Messungen verändert wurde. Die Experten haben zwei parallele Platten verwendet, zwischen denen das Gel geschüttelt wurde, indem eine der Platten mit verschiedenen Frequenzen und Amplituden gedreht wurde, bis sie einen Fließübergang hervorriefen.

Durch Messung der auf das Gel ausgeübten Kräfte (Spannung) und seiner Verformungen (Dehnung) haben die Forscher die Speicher- und Verlustmodule berechnet. Die Moduli haben die Einheit Druck, Kraft pro Flächeneinheit, aber ihr Verhältnis, der "Verlusttangens", ist eine reine Zahl ohne Dimension. Sie spiegelt den Grad der Festigkeit der Substanz im Vergleich zu ihrem Verhalten als Flüssigkeit wider. Poling-Skutvik und seine Kollegen führten dieselben Messungen auch für andere YSFs durch, wie etwa polymergebundene Emulsionen - ein Beispiel ist Mayonnaise, die mit einem Polymer wie Xanthan stabilisiert wurde.

Bei der Aufzeichnung und Analyse der Höhe des Überschwingens des Verlustmoduls in Abhängigkeit von der Verlusttangente fanden die Wissenschaftler heraus, dass viele YSFs ein gemeinsames Merkmal aufweisen: Das Überschwingen hing bei allen getesteten YSF-Zusammensetzungen in gleicher Weise von der Verlusttangente ab. Dies sei überraschend, da die Verlusttangente bestimmt wird, wenn die Substanz fest ist, während das Überschwingen beim Übergang zu einer Flüssigkeit auftritt.

KDR-Modell für Fließübergang

Mit diesem neuen Wissen modellierte das Forscher-Team die Physik analytisch mit einem KDR-Modell, das viele Merkmale des Fließübergangs genau modellieren kann. Somit wurde numerisch und durch annähernde Lösung des Modells gezeigt, dass die universelle Übergangshöhe als Funktion der Verlusttangente durch das KDR-Modell gut wiedergegeben wurde.

Poling-Skutvik: "Unsere Ergebnisse können dazu beitragen, das Design neuer Materialien zu vereinfachen, indem man sich auf ihre Eigenschaften im Ruhezustand konzentriert, statt sich direkt mit der komplizierteren Frage nach dem Fließübergang selbst auseinandersetzen zu müssen." Ihre Arbeit könnte künftig auf viele Substanzen in den Lebensmittelwissenschaften und der industriellen Produktion angewandt werden, von Zahnpasta bis zu kolloidalen Aufschlämmungen für die Batterieherstellung.

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