Forholdet mellem partikelstruktur og flow i uordnede materialer

Ny forskning offentliggjort i Nature Physics beskriver forholdet mellem et uordnet materiales individuelle partikelarrangement og hvordan det reagerer på eksterne stressfaktorer. Undersøgelsen fandt også, at disse materialer har "hukommelse", der kan bruges til at forudsige, hvordan og hvornår de vil flyde. Undersøgelsen blev ledet af Larry Galloway, en ph.d. studerende i laboratoriet hos Paulo Arratia, og Xiaoguang Ma, en tidligere postdoc i laboratoriet hos Arjun Yodh, i samarbejde med forskere i laboratorierne hos Douglas Jerolmack og Celia Reina.

Et uordnet materiale er tilfældigt arrangeret på partikelskalaen, f.eks. atomer eller korn, i stedet for at blive systematisk fordelt - tænk på en bunke sand i stedet for en pænt stablet murstensvæg. Forskere i Arratia-laboratoriet studerer denne klasse af materialer som en del af Penn's Materials Research Science &Engineering Center, hvor et af programmets fokus er på at forstå organisationen og spredningen af ​​partikelskala-omlejringer i uordnede, amorfe materialer.

Nøglespørgsmålet i denne undersøgelse var, om man kunne observere strukturen af ​​et uordnet materiale og have en indikation af, hvor stabilt det er, eller hvornår det kan begynde at bryde fra hinanden. Dette er kendt som flydegrænsen, eller når materialet "flyder" og begynder at bevæge sig som reaktion på eksterne kræfter. "Hvis du for eksempel ser på kornene på et sandslot, og hvordan de er arrangeret, kan jeg så fortælle dig, om vinden kan blæse det omkuld, eller om det skal slås hårdt for at vælte?" siger Arratia. "Vi vil gerne vide, bare ved at se på den måde, partiklerne er arrangeret på, om vi kan sige noget om den måde, de vil flyde på, eller om de overhovedet vil flyde."

Mens det har været kendt, at individuel partikelfordeling påvirker flydegrænsen eller flowet i uordnede materialer, har det været udfordrende at studere dette fænomen, da feltet mangler måder at "kvantificere" uorden i sådanne materialer. For at løse denne udfordring samarbejdede forskerne med kolleger fra hele campus for at kombinere ekspertise på tværs af eksperimenter, teori og simuleringer.

Til eksperimenterne sporer forskerne individuelle partikler oven på en væske-luft-grænseflade, der ligner, hvordan kaffegrums, der flyder oven på vand, ser ud, siger forskerne. Derefter bruger de en magnetisk nål, der bevæger sig frem og tilbage for at påføre en forskydningskraft. Med dette system er forskerne i stand til systematisk at påføre kræfter på 50.000 partikler, spore deres detaljerede bevægelse og bruge kompleks billedanalyse til at se, om for eksempel to nabopartikler forbliver ved siden af ​​hinanden, efter at en forskydningskraft er påført.

En af udfordringerne ved denne undersøgelse var at finde en metrik, der kunne hjælpe med at karakterisere lidelse; For at gøre dette vendte forskerne sig til et begreb kendt som overskydende entropi. Mens denne idé er blevet brugt før til at studere simple væsker, var dens anvendelse i disse større granulære systemer - hvor temperaturen ikke påvirker partikelbevægelse - konceptuelt meget ny, siger Galloway. "Vi tager termodynamik og anvender nogle af dens koncepter på noget, som folk generelt ikke tror, ​​termodynamik gælder for," siger han.

For at hjælpe med at forbinde deres eksperimentelle resultater med teorier om overskydende entropi, arbejdede Arratia-laboratoriet med kolleger fra Reina-gruppen, som har teoretisk ekspertise i termodynamik uden ligevægt, såvel som kolleger fra Yodh-laboratoriet, som har eksperimenteret med overskydende entropi-koncepter til belyse ligevægts- og ikke-ligevægtssystemer. Derudover delte Jerolmacks gruppe deres ekspertise i at studere partikelflow for at hjælpe med at forbinde de komplekse eksperimentelle resultater med simuleringer.

Et af de mest betydningsfulde resultater fra denne undersøgelse er, at uordnede materialer kan "huske" de kræfter, der blev påført dem, og at denne hukommelse kan måles ved at se på individuelle partikelfordelinger. "Hvis du zoomer ind og ser på, hvor alle de forskellige partikler er, kan du læse, hvilke minder der er gemt derinde," siger Galloway.

Forskerne fandt også ud af, at uordnede materialer mister denne hukommelse, når en tærskel for stress overskrides, hvilket sker samtidig med, at materialet når sin flydegrænse og begynder at flyde. "Hvis du påfører en lille smule stress, vil materialet huske, og det vil gå tilbage til den oprindelige tilstand," siger Arratia. "Men hvis du begynder at klippe med mere kraft, begynder den at miste sin hukommelse. Det er præcis der, vi finder ud af, at materialet giver og begynder at flyde, og at kritisk stress er relateret til tab af hukommelse."

Mens begrebet hukommelse i uordnede materialer havde været kendt i nogen tid, overraskede den stærke sammenhæng i deres resultater mellem partikelfordeling, flow og hukommelse forskerne. Fremover planlægger de at bygge videre på dette arbejde ved at studere andre partikelstørrelser og -typer, forskning, der kunne hjælpe med at adressere, hvor universelt dette koncept er, og hvordan deres resultater relaterer til termodynamik og overskydende entropi mere bredt.

Arratia tilføjer, at med en så bred vifte af systemer, der fungerer som uordnede materialer, fra eroderende bjergskråninger med risiko for at forårsage mudderskred til levende organismer såsom biofilm, er de mulige implikationer for felter ud over termodynamikken talrige. "Jeg håber, at dette arbejde vil blive noget, som vi kan anvende på forskellige, forskellige systemer fra hud, mudderskred, biofilm og mange ting, der er forstyrrede og også flyder," siger Arratia. + Udforsk yderligere

Undersøgelse beskriver, hvordan eksterne kræfter driver omlejringen af ​​individuelle partikler i uordnede faste stoffer