A new ‘twist’ to break viscoelastic bridges

If you’ve ever tried to lift a pizza slice covered in hot, melted cheese, you’ve no doubt encountered the long, cheesy strings that bridge one pizza slice from the next. Keep lifting the pizza slice and these cheese bridges eventually break, covering the plate, table (or even your lap) in long, thin strands of cheese. While this is just a minor inconvenience with pizza, it is a longstanding problem in industry, where liquids with similar properties to melted cheese – dubbed viscoelastic fluids – need to be cleanly and speedily dispensed.

Now, scientists from the Polymer Technology group at the department of Mechanical Engineering have teamed up with a Japanese research group at the Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Together they developed a new technique that uses rotation to break these liquid bridges. Their findings, published in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), could improve the speed and precision of dispensing viscoelastic fluids, in applications ranging from circuit board production and food processing to live tissue engineering and 3D printing.

Ketchup, silly putty and toothpaste

“Viscoelastic fluids, like ketchup, silly putty and toothpaste, have very strange properties – when squeezed slowly, they flow like a fluid, but at faster speeds, they act like an elastic solid,” says co-first author, San To Chan, PhD student at OIST. “These unique properties make dispensing these fluids quite difficult.”

Currently, the standard method in industry involves lifting the nozzle away from the surface on which the liquid has been deposited. Although this effectively breaks the bridge, it draws the deposited liquid up into a long, thin peak, known as a capillary tail. If the liquid bridge breaks in multiple places, small droplets of fluid, called satellite droplets, also form. Capillary tails and satellite droplets can contaminate products or short-circuit electronic chips.

[Translate to Engels:] Wanneer het mondstuk (of de plaat) wordt opgetild, strekt de vloeistofbrug zich uit en breekt. Dit kan capillaire staarten en satellietdruppels vormen

[Translate to Engels:] Wanneer het mondstuk (of de plaat) wordt opgetild, strekt de vloeistofbrug zich uit en breekt. Dit kan capillaire staarten en satellietdruppels vormen

“Hoe hoger de spuitmond wordt ingetrokken, hoe langer de capillaire staart, dus hoe groter de kans op besmetting,” legt Chan uit. “Omdat het mondstuk niet te hoog kan worden opgetild, is de vloeistofbrug dikker en duurt het langer voordat hij breekt, wat het hele proces vertraagt.”

Van rekken naar draaien

De onderzoekers bedachten een eenvoudige oplossing voor het probleem: in plaats van de vloeibare brug uit te rekken, kon hij worden gedestabiliseerd door hem te draaien.

In de studie testte het onderzoeksteam dit idee op siliconenolie, die 60.000 keer stoperiger is dan water. De wetenschappers plaatsten een druppel silicone-olie tussen twee platen. Met behulp van hogesnelheidsfotografie ontdekten zij dat wanneer de vloeistofbrug werd verdraaid door de bovenste plaat te draaien, dit een scheur veroorzaakte halverwege de uiteinden van de vloeistofbrug. De scheur breidde zich vervolgens van de rand naar het midden uit, waarbij de brug netjes in tweeën werd gesneden zonder capillaire staarten of satellietdruppels te vormen.

Belangrijk is dat dit proces ongeveer een seconde duurde, vergeleken met de tien seconden die gewoonlijk nodig zijn om dezelfde vloeistof aan te brengen met de conventionele terugtrekmethode.

Randbreuk

Gedetailleerde numerieke simulaties door Frank van Berlo, co-auteur en promovendus aan de TU/e, waren van belang om het onderliggende mechanisme bloot te leggen dat ervoor zorgt dat de vloeistofbrug breekt wanneer deze onder torsie wordt geplaatst.

“Met de simulaties konden we systematisch het effect van rotatie op de stroming en spanningen in de vloeistofbrug onderzoeken”, legt Van Berlo uit. Zijn begeleider en co-auteur Patrick Anderson vult aan: “Frank heeft concrete informatie verschaft over hoe de vloeistofbrug reageerde, en bevestigde daarmee wat wij al vermoedden: de scheur wordt veroorzaakt door de randfractuur.”

Simon Haward, groepsleider bij OIST, spreekt over een opvallende uitkomst. “Tot dusver zijn randbreuken altijd gekarakteriseerd als een echt ongewenst fenomeen dat wetenschappers proberen tegen te houden. Dit is de eerste keer dat randfractuur een gunstige toepassing blijkt te hebben.”.

Toekomstig onderzoek

In de volgende fase van hun onderzoek willen de wetenschappers experimenteren met verschillende visco-elastische vloeistoffen om te zien dat daar hetzelfde effect optreedt. Ze zijn ook van plan om de snelheid van het doseerproces verder op te voeren, mogelijk door zowel het roteren als het intrekken van de bovenste plaat te combineren.

Professor Anderson: “Voor toekomstig 3D-printen zou een snellere en preciezere vloeistofdosering het energieverbruik kunnen verlagen, en minder vervuilde producten zou kunnen betekenen dat er minder grondstof wordt gebruikt.”

——-

San To Chan, Frank P. A. van Berlo, Hammad A. Faizi, Atsushi Matsumoto, Simon J. Haward, Patrick D. Anderson, and Amy Q. Shen, Torsional fracture of viscoelastic liquid bridges (PNAS), DOI: 10.1073/pnas.2104790118

/TU/e Public Release. This material comes from the originating organization and may be of a point-in-time nature, edited for clarity, style and length. View in full here.