Rollende Partikel machen Suspensionen flüssiger

Lacke, Farben, Beton, ja selbst Ketchup oder Orangensaft: Suspensionen sind in der Industrie und im Alltag weit verbreitet. Unter einer Suspension verstehen Materialwissenschaftler:innen eine Fl¨¹ssigkeit, in der kleine feste, unl?sliche Partikel gleichm?ssig verteilt sind. Ist die Teilchenkonzentration einer solchen Mischung sehr hoch, k?nnen Ph?nomene auftreten, die unserem allt?glichen Verst?ndnis von einer Fl¨¹ssigkeit widersprechen. So k?nnen diese sogenannten nicht-newtonschen Fl¨¹ssigkeiten pl?tzlich z?hfl¨¹ssig (viskoser) werden, wenn eine starke Kraft auf sie einwirkt. F¨¹r einen kurzen Moment verh?lt sich die Fl¨¹ssigkeit wie ein Festk?rper.

Der Grund f¨¹r diese pl?tzliche Verdickung sind die in der Suspension vorhandenen Teilchen. Wird die Suspension verformt, m¨¹ssen sich die Partikel neu anordnen. Energetisch g¨¹nstiger ist, wenn sie aneinander vorbeirollen, wann immer dies m?glich ist. Erst wenn dies nicht mehr geht, beispielsweise weil sich mehrere Partikel ineinander verkanten, dann rutschen sie relativ zueinander. Das Aneinander vorbeirutschen erfordert jedoch viel mehr Kraft, wodurch sich die Fl¨¹ssigkeit z?hfl¨¹ssiger anf¨¹hlt.

Die Wechselwirkungen, die im mikroskopisch kleinen Massstab auftreten, beeinflussen also das ganze System und sind entscheidend daf¨¹r, wie eine Suspension fliesst. Um sie zu optimieren und ihr Fliessverhalten gezielt zu beeinflussen, m¨¹ssen Wissenschaftler:innen also verstehen, wie gross die Reibungskr?fte zwischen den einzelnen Partikeln sind.

Was haben die Wissenschaftler:innen untersucht?

ETH-Materialforschende unter der Leitung von Lucio Isa, Professor f¨¹r Grenzfl?chen und weiche Materialien, haben deshalb eine Methode entwickelt, um die Reibungskr?fte einzelner Partikel von nur wenigen Mikrometern Durchmesser zu messen.

F¨¹r ihre Messungen haben die Forschenden ein sogenanntes Rasterkraftmikroskop benutzt. Doktorand Simon Scherrer hat zun?chst eine mikroskopisch kleine Halterung entwickelt, die der Fixierung eines einzigen runden Partikels dient. Dann bewegen sie mit dem Rasterkraftmikroskop dieses ?eingespannte? K¨¹gelchen ¨¹ber eine flache Oberfl?che, deren Beschaffenheit gleich ist wie die der Partikel. Damit imitierten die Forschenden zwei Partikel, die sich aneinander vorbeibewegen und konnten so konnten die winzigen Kr?fte zwischen den Oberfl?chen messen.

Warum ist das so wichtig?

Die untersuchten Partikel sind winzig ¨C von gerade 12 Mikrometer, also 12 Millionstel Meter, Durchmesser. Dementsprechend schwierig war es, ein geeignetes Messverfahren zu entwickeln, um die am Partikel auftretende Rollreibung zu messen. Als besondere Herausforderung entpuppte sich die Herstellung einer geeigneten Halterung. ?Ich hatte sicher 50 verschiedene Varianten entwickelt, bis ich eine fand, die den Anforderungen entspricht?, sagt Scherrer.

Um zu verstehen, wie die Oberfl?che der winzigen Teilchen das Verhalten der Suspension beeinflusst, haben die Forschenden verschiedene Partikel hergestellt. ?Partikel mit einer glatten oder sehr rutschigen Oberfl?che sind einfach aneinander vorbeigeglitten, egal wie fest wir sie aufeinandergedr¨¹ckt haben?, sagt Scherrer.

Die Situation war bei rauen oder klebrigen Partikeln ganz anders, da sich diese Teilchen ineinander verhaken wie Zahnr?der und mit wenig Widerstand rollen. Zuletzt fixierten die Forschenden die Partikel in der Halterung, um deren Gleitreibung zu messen. Diese ist um ein Vielfaches h?her als die Rollreibung, und erkl?rt die dramatische Verdickung der Suspensionen.

Wozu ist das gut?

Aus ihren Messungen konnten die Forschenden direkt die Koeffizienten f¨¹r Roll- und Gleitreibung der jeweiligen Partikel ableiten. Diese Zahlenwerte lassen sich in Computermodellen verwenden, um Suspensionen mit hohem Teilchenanteil zu simulieren und so das optimale Fliessverhalten zu ermitteln. Diese Erkenntnisse ¨¹ber die mikroskopischen Mechanismen, die die Ursache f¨¹r die Verdickung bilden, er?ffnen neue Ans?tze zur Optimierung von Suspensionen f¨¹r die Industrie, den Bau oder den Alltag.

Davon k?nnten unter anderem die Betonindustrie oder Mikroelektronikhersteller profitieren. Letztere setzen schon jetzt dichte Suspensionen mit metallischen, leitenden Partikeln ein, um Bauteile auf Leiterplatten zu l?ten. Die L?tpaste wird durch schmale D¨¹sen gepresst. Ist der Druck zu gross, kann sich die Paste schlagartig verdicken und die D¨¹se verstopfen.

?Um dieses Verhalten zu verhindern und um solche Suspensionen zu optimieren, m¨¹ssen wir genau wissen, wie sich Partikel auf der Mikroskala verhalten und welche Kr?fte dabei auftreten?, sagt Isa.