Handig bij solderen: rollende deeltjes maken suspensies vloeibaarder

Lakken, olie, soldeer, en zelfs beton: suspensies zijn wijdverspreid in de industrie en het dagelijks leven. Een suspensie is een vloeistof waarin kleine, onoplosbare vaste deeltjes gelijkmatig verdeeld zijn. Als de concentratie van die deeltjes erg hoog is, kunnen vreemde verschijnselen worden waargenomen. De ‘niet-Newtoniaanse vloeistoffen’ worden bijvoorbeeld plotseling viskeuzer wanneer er een sterke kracht op wordt uitgeoefend. Onhandig als je bijvoorbeeld een printplaat aan het solderen bent.

Deze plotselinge verdikking wordt veroorzaakt door de deeltjes in de suspensie. Als de suspensie wordt vervormd, moeten de deeltjes zich opnieuw rangschikken. Vanuit energieperspectief is het voordeliger als ze zoveel mogelijk langs elkaar rollen. Pas als dit niet meer mogelijk is, bijvoorbeeld omdat verschillende deeltjes vast komen te zitten, moeten ze ten opzichte van elkaar glijden. Glijden vereist echter veel meer kracht en dus voelt de vloeistof macroscopisch viskeuzer aan.

De interacties die optreden op microscopisch kleine schaal beïnvloeden daarom het hele systeem en bepalen hoe een suspensie stroomt. Om de suspensie te optimaliseren en specifiek de stromingseigenschappen ervan te beïnvloeden, moeten wetenschappers daarom de grootte van de wrijvingskrachten tussen de afzonderlijke deeltjes begrijpen.

Wat hebben de wetenschappers onderzocht?

ETH-materialenonderzoekers onder leiding van Lucio Isa, hoogleraar Interfaces and Soft Matter, ontwikkelden een methode om de wrijvingskrachten te meten tussen afzonderlijke deeltjes met een diameter van slechts enkele micrometers.

De onderzoekers gebruikten een atomaire krachtmicroscoop voor hun metingen. Doctoraatsstudent Simon Scherrer ontwikkelde eerst een microscopisch kleine houder, die dient om een enkel bolvormig deeltje op te vangen. Vervolgens bewogen ze dit ‘gevangen’ deeltje met behulp van de atoomkrachtmicroscoop over een plat oppervlak met dezelfde eigenschappen als het deeltje. Op deze manier konden de onderzoekers twee langs elkaar bewegende deeltjes nabootsen en de minuscule krachten tussen de oppervlakken meten.

Waarom is dit belangrijk?

De onderzochte deeltjes zijn piepklein, slechts 12 micrometer in diameter. Het was dan ook moeilijk om een geschikte meettechniek te ontwikkelen om de rolwrijving op het deeltje te meten. Het maken van een geschikte houder bleek een bijzondere uitdaging. “Ik heb wel 50 versies ontwikkeld totdat ik er een vond die aan de eisen voldeed”, zegt Scherrer.

De onderzoekers maakten verschillende deeltjes om te begrijpen hoe het oppervlak van de kleine deeltjes het gedrag van de suspensie beïnvloedt. “Deeltjes met een glad of zeer glad oppervlak gleden gewoon langs elkaar heen, hoe stevig we ze ook tegen elkaar aandrukten”, zegt Scherrer.

De situatie met ruwe of kleverige deeltjes was heel anders, omdat deze deeltjes met elkaar in contact komen als tandwielen en ze rollen met weinig weerstand. Tot slot zetten de onderzoekers de deeltjes vast in de houder om hun schuifwrijving te meten. Deze wrijving is vele malen hoger dan de rolwrijving en verklaart de dramatische verdikking van de suspensies.

Welk doel dient dit?

De onderzoekers konden de coëfficiënten voor de rol- en glijwrijving van de respectieve deeltjes rechtstreeks uit hun metingen afleiden. Deze cijfers kunnen worden gebruikt in computermodellen om bijvoorbeeld suspensies met een hoge fractie deeltjes te simuleren en zo de optimale stromingseigenschappen te bepalen. Deze inzichten in de microscopische mechanismen die de oorzaak zijn van het indikken, openen nieuwe benaderingen voor het optimaliseren van suspensies voor toepassingen in de industrie, de bouw of het dagelijks leven.

Onder andere de betonindustrie of fabrikanten van micro-elektronica zouden hiervan kunnen profiteren. Deze laatste gebruiken al dichte suspensies met metalen, geleidende deeltjes om componenten op printplaten te solderen. De soldeerpasta wordt door smalle spuitmondjes geperst. Als de druk te groot is, kan de pasta plotseling indikken en de spuitmond verstoppen.

“Om dit gedrag te voorkomen en dergelijke suspensies te optimaliseren, moeten we precies weten hoe de deeltjes zich op microschaal gedragen en welke krachten daarbij optreden”, zegt Isa.