Исследование описывает взаимосвязь между структурой частиц и течением в неупорядоченных материалах

Прочитано: 44 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Physics , подробно описывает взаимосвязь между расположением отдельных частиц неупорядоченного материала и тем, как он реагирует на внешние стрессоры. Исследование также показало, что эти материалы обладают «памятью», которую можно использовать для предсказания того, как и когда они будут течь. Исследование возглавил Ларри Галлоуэй, доктор философии. студент в лаборатории Пауло Арратиа и Сяогуан Ма, бывший постдоктор в лаборатории Арджун Йод, в сотрудничестве с исследователями в лабораториях Дугласа Джеролмака и Селии Рейны.

Неупорядоченный материал расположен случайным образом в масштабе частиц, например, атомов или зерен, вместо того, чтобы быть систематически распределенным — подумайте о куче песка вместо аккуратно сложенной кирпичной стены. Исследователи из лаборатории Арратии изучают этот класс материалов в рамках Научно-исследовательского и инженерного центра Пенсильванского университета, где одним из направлений программы является понимание организации и распространения перегруппировок частиц в неупорядоченных аморфных материалах .

Ключевой вопрос в этом исследовании заключался в том, можно ли наблюдать структуру неупорядоченного материала и иметь некоторое представление о том, насколько он стабилен или когда он может начать распадаться. Это известно как предел текучести, или когда материал «течет» и начинает двигаться в ответ на внешние силы. «Например, если вы посмотрите на песчинки замка из песка и на то, как они устроены, могу ли я сказать вам, может ли ветер сдуть его или нужно сильно ударить, чтобы он упал?» говорит Арратия. «Мы хотим знать, просто глядя на то, как устроены частицы, можем ли мы сказать что-нибудь о том, как они будут течь, и будут ли они вообще течь».


Хотя было известно, что распределение отдельных частиц влияет на предел текучести или поток в неупорядоченных материалах, изучение этого явления было сложной задачей, поскольку в этой области отсутствуют способы «количественного определения» беспорядка в таких материалах. Чтобы решить эту проблему, исследователи сотрудничали с коллегами со всего кампуса, чтобы объединить опыт в области экспериментов, теории и моделирования.

Исследователи говорят, что для экспериментов исследователи отслеживают отдельные частицы на поверхности раздела жидкость-воздух, подобно тому, как выглядит кофейная гуща, плавающая на поверхности воды. Затем они используют магнитную стрелку, которая двигается вперед и назад, чтобы применить силу сдвига. С помощью этой системы исследователи могут систематически воздействовать на 50 000 частиц, отслеживать их детальное движение и использовать комплексный анализ изображений, чтобы увидеть, остаются ли, например, две соседние частицы рядом друг с другом после приложения силы сдвига.

Одной из задач этого исследования было найти показатель, который мог бы помочь охарактеризовать расстройство; для этого исследователи обратились к концепции, известной как избыточная энтропия. Хотя эта идея использовалась и раньше для изучения простых жидкостей, ее применение в этих более крупных зернистых системах, где температура не влияет на движение частиц, было концептуально очень новым, говорит Гэллоуэй. «Мы берем термодинамику и применяем некоторые из ее концепций к чему-то, к чему люди обычно не относятся с термодинамикой», — говорит он.

Чтобы помочь связать свои экспериментальные результаты с теориями избыточной энтропии, лаборатория Arratia работала с коллегами из группы Reina, обладающими теоретическими знаниями в области неравновесной термодинамики, а также с коллегами из лаборатории Yodh, которые экспериментировали с концепциями избыточной энтропии для объясняют равновесные и неравновесные системы. Кроме того, группа Джеролмака поделилась своим опытом в изучении потока частиц, чтобы помочь связать сложные экспериментальные результаты с моделированием.

Одним из наиболее важных результатов этого исследования является то, что неупорядоченные материалы могут «запоминать» приложенные к ним силы, и что эту память можно измерить, глядя на распределение отдельных частиц. «Если вы увеличите масштаб и посмотрите, где находятся все различные частицы, вы сможете прочитать, какие воспоминания там хранятся», — говорит Галлоуэй.

Исследователи также обнаружили, что неупорядоченные материалы теряют эту память при превышении порога напряжения, что происходит в то же время, когда материал достигает предела текучести и начинает течь. «Если немного надавить, материал запомнится и вернется в исходное состояние», — говорит Арратиа. «Но если вы начнете резать с большей силой, он начнет терять память. Именно здесь мы обнаруживаем, что материал поддается и начинает течь, и что критический стресс связан с потерей памяти».

Хотя концепция памяти в неупорядоченных материалах была известна уже некоторое время, сильная корреляция, наблюдаемая в их результатах между распределением частиц, потоком и памятью, удивила исследователей. Двигаясь вперед, они планируют продолжить эту работу, изучая другие размеры и типы частиц, исследования, которые могут помочь понять, насколько универсальна эта концепция и как их результаты соотносятся с термодинамикой и избыточной энтропией в более широком смысле.

Арратиа добавляет, что с таким широким спектром систем, которые действуют как неупорядоченные материалы, от эрозии склонов холмов, которые могут вызвать оползни, до живых организмов, таких как биопленки, возможные последствия для полей, выходящих за рамки термодинамики, многочисленны. «Я надеюсь, что эта работа станет чем-то, что мы сможем применить к различным, несоизмеримым системам, таким как кожа, оползни, биопленки и многим другим вещам, которые неупорядочены и также текут», — говорит Арратиа.

Исследование описывает взаимосвязь между структурой частиц и течением в неупорядоченных материалах



Новости партнеров