Fra fast til flydende og tilbage igen

Du kan nemt gå hen over sandet på en strand. Men træd ind i en boldgrav, og chancerne er, at du falder lige igennem.

Sand- og kuglegrave er begge granulerede materialer, eller materialer, der er lavet af samlinger af meget mindre partikler eller korn. Afhængigt af deres tæthed og hvor meget kraft de oplever, granulerede materialer opfører sig nogle gange som væsker - noget du falder lige igennem - og nogle gange "sylter" i faste stoffer, gør dem til noget, du kan stå på.

"I nogle tilfælde, disse små partikler har fundet ud af, hvordan de faktisk kan danne faststoflignende strukturer, " sagde Robert P. Behringer, James B. Duke professor i fysik. "Så hvorfor går de ikke altid bare og sprøjter sidelæns og slapper af alt stresset?"

Fysikere forstår endnu ikke præcis, hvornår og hvordan jamming opstår, men Behringers team hos Duke er på sagen. Gruppen klemmer, strækker sig, hits, og trækker i granulerede materialer for at få et bedre billede af, hvordan og hvorfor de opfører sig, som de gør. Holdet præsenterede for nylig hele 10 artikler på 2017 Powders and Grains Conference, som fandt sted fra 3-7 juli, 2017 i Montpellier, Frankrig.

Mange af disse undersøgelser bruger en af ​​laboratoriets foretrukne teknikker, som er at skabe granulerede materialer fra små gennemsigtige skiver, der er omkring en halv tomme til en tomme i diameter. Disse skiver er lavet af et materiale, som takket være den specielle måde, den interagerer med lys, skifter farve, når den klemmes. Denne effekt giver teamet mulighed for at se, hvordan spændingen i materialet ændrer sig, når forskellige kræfter påføres.

I et eksperiment, Kandidatstuderende Yue Zhang brugte et højhastighedskamera til at fange stressmønstrene, da en bold på en snor bliver rykket ud fra en bunke af disse skiver. I videoen, bolden ser først ud til at sidde fast under bunken, og så pludselig giver efter, efter at der er påført nok kraft - ikke ulig det, du kunne opleve at trække en teltpæl op af jorden, eller åbne låget på en irriterende syltekrukke.

"Det morsomme er, at du begynder at prøve at trække, du tilføjer mere kraft, du tilføjer mere kraft, og så på et tidspunkt trækker du så hårdt, at du slår dig selv i hovedet, " sagde Behringer.

Holdet var overrasket over at opdage, at de stressmønstre, bolden skabte, som Behringer siger ligner "hår der står på højkant, "er næsten identiske med påvirkningsstress, kun omvendt.

"Det du ser er, selvom du bare gradvist trækker hårdere og hårdere, den endelige dynamik er i en vis forstand den samme dynamik, som du får ved indvirkning, " sagde Behringer.

I et andet eksperiment, holdet undersøgte, hvad der sker i granulære materialer under forskydningsbelastning, hvilket svarer til den kraft, dine fingre udøver på hinanden, når du gnider dem sammen.

Kandidatstuderende Yiqiu Zhao placerede hundredvis af disse diske på en cirkulær platform lavet af en række flade, koncentriske ringe, som hver styres af en separat motor. Når ringene drejer med forskellige hastigheder, partiklerne gnider mod hinanden, skabe en forskydningsspænding.

"Vi har omkring tyve stepmotorer her, så vi kan rotere alle ringene for at påføre en forskydning ikke kun fra den ydre grænse, men også fra overalt inde i hovedparten af ​​materialet, " sagde Zhao. Dette sikrer, at hver partikel i cirklen oplever en tilsvarende mængde forskydning.

"En af hovedhensigterne med dette nye eksperiment var at finde en måde, hvorpå vi kunne klippe, indtil køerne kommer hjem, " sagde Behringer. "Og hvis det kræver hundrede gange mere forskydning, end jeg kunne få med ældre eksperimenter, godt vi får det."

Mens ringene drejer, videoer af materialet viser kræfter, der sniger sig ud fra den inderste cirkel som lyn. De fandt ud af, at ved at anvende nok forskydning, det er muligt at lave materialet som et fast stof ved meget lavere tætheder end tidligere set.

"Du kan faktisk forvandle en granulær væske til et granulært fast stof ved at klippe det, " sagde Behringer. "Så det er som om du ikke lægger din is i køleskabet, du lægger den i en af ​​disse bakker, og du klipper bakken, og den bliver til is."