Очки и гели — это два разных типа твердых материалов, которые обычно используются в самых разных условиях. Несмотря на совершенно разные составы, эти разные материалы имеют некоторые схожие свойства, например, они демонстрируют жесткость без поступательного порядка и медленную трансформацию с течением времени.

Исследователи из Токийского университета недавно решили лучше понять различия между очками и гелями , уделив особое внимание их эластичным свойствам . Их статья , опубликованная в журнале Nature Physics, проливает свет на происхождение и эволюцию упругости в этих двух классах аморфных твердых тел.

«Наше исследование началось с наблюдения за уникальными механическими изменениями в коллоидных гелях во время старения», — рассказал Phys.org Хадзиме Танака, старший автор статьи. «Хотя стекла и гели имеют сходные характеристики с аморфными твердыми телами — например, жесткость без порядка и замедление динамики во время старения, — мы обнаружили нечто неожиданное.

«Изучая, как модуль упругости коллоидных гелей меняется со временем, мы обнаружили удивительную тенденцию: вместо того, чтобы становиться более жесткими с течением времени, как очки, гели фактически размягчаются после длительного периода старения — около двух месяцев для коллоидных частиц размером 2 мкм ».

В своем предыдущем исследовании Танака и его коллеги собрали результаты, которые бросили вызов существующим представлениям о том, как аморфные твердые тела развиваются с течением времени. В частности, их исследования показали, что динамика старения этих типов твердых тел не всегда приводит к увеличению жесткости.

«Это неожиданное открытие заставило нас задуматься о различиях между очками и гелями и о том, что их вызывает», — объяснил Танака. «Таким образом, наше исследование было направлено на раскрытие уникальных упругих свойств стекол и гелей и понимание причин, лежащих в их основе. Мы также хотели узнать, как взаимосвязь между структурой и динамикой влияет на механические свойства аморфных твердых тел».

Чтобы изучить упругие свойства коллоидных стекол и гелей, исследователи провели трехмерное (3D) моделирование динамики Ланжевена. Это моделирование позволило им смоделировать как коллоидные стекла, характеризующиеся отталкивающими частицами, так и коллоидные гели с притягивающими частицами.

«Мы изучали процесс старения обеих систем, быстро переводя их из равновесного состояния в неравновесное», — сказал Иньцяо Ван, первый автор статьи. «Чтобы имитировать экспериментальные условия, мы сначала позволили частицам в обеих системах прийти в равновесие в жидком состоянии. Затем мы быстро увеличили фракцию упаковки за порогом стеклования, чтобы сформировать коллоидные стекла. И наоборот, для коллоидных гелей мы быстро понизили температуру значительно ниже температура расслоения газа и жидкости».

Наблюдая за процессом старения двух смоделированных систем, исследователи тщательно следили за эволюцией их эластичности, принимая при этом во внимание температурные колебания. Это было сделано с помощью колебательных деформаций малой амплитуды или путем непосредственного решения матрицы Гессе.

«В то же время мы проанализировали изменения в колебательной динамике и структуре, включая параметры ориентационного порядка и анизотропию Вороного в стеклах, а также связи на уровне частиц и сетей в гелях», — объяснил Танака. «Наши результаты подчеркивают сложную взаимосвязь структуры, динамики (тепловых флуктуаций) и упругих свойств в неравновесных неупорядоченных системах с акцентом на два типичных аморфных твердых тела: коллоидные стекла и гели»,

Танака и его коллеги обнаружили, что, хотя стекла и гели имеют некоторые схожие свойства с неравновесными аморфными твердыми телами, их упругие свойства заметно различаются. Их статья также разъясняет некоторые уникальные механизмы, лежащие в основе поведения этих двух типов систем.

«Наша работа не только дает ценную информацию о фундаментальной неравновесной физике, но также имеет важное значение для материаловедения», — сказал Танака. «Он предлагает физическую основу для различения очков и гелей, особенно в сложных сценариях, таких как неэргодические состояния суспензий лапонита».

Недавняя работа этой исследовательской группы способствует пониманию физических процессов, лежащих в основе эластичности коллоидных стекол и гелей. Новое понимание, которое оно дает, вскоре может помочь в разработке и производстве аморфных твердых тел с желаемыми упругими свойствами.

«В наших будущих исследованиях мы будем тщательно изучать механические свойства аморфных твердых тел, включая гранулированные материалы, отталкивающие/притягивающие стекла и гели», — добавил Танака. «Мы стремимся углубить наше понимание этих сложных неупорядоченных систем посредством систематических исследований с целью разгадать их основные механизмы и последствия для различных материальных систем».