Mekanismen bag forskydningsudtynding i underkølede væsker

Forskere ved University of Tokyo rapporterer, at to-krops strukturel entropi er nøglemængden for at forstå dynamikken i afskårne, afkølede væsker og også mekanismen bag fænomenet forskydningsfortynding.

Superkølede væsker

Væsker er den mindst forståede tilstand. At være mellemliggende mellem gasser og faste stoffer, deres adfærd er en uforudsigelig blanding af begge. Særligt usædvanlige er glasdannende væsker, som kan afkøles under deres frysepunkt uden at krystallisere. Sådanne underkølede væsker bliver viskøse med et fald i temperaturen, og til sidst blive glasagtige faste stoffer (glas) under glasovergangstemperaturen. Vi ser denne venlige adfærd i glasblæsningen.

Nu, i et papir udgivet i PNAS , to forskere ved University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) har afsløret ny indsigt i adfærden hos superkølede væsker, der får til at flyde via klipning.

Klippede superkølede væsker

I første omgang, som en afkølet væske får til at flyde ved at klippe ("trække"), dens viskositet forbliver uændret. Men da væsken får hurtigere til at flyde, viskositeten begynder overraskende at falde, og det bliver lettere for væsken at flyde (dvs. den bliver mindre sløv). Dette fænomen kaldes forskydningsfortynding, og det er en industrielt vigtig proces, som når to smurte overflader let glider mod hinanden. På trods af årtiers forskning og stor indsats fra mange forskere, mekanismen bag udtynding af forskydning er stadig ukendt.

IIS -forskerne brugte computersimuleringer med grafikkort (GPU) til at simulere flere computermodeller med superkølede væsker, da de blev tvunget til at flyde ved forskydning. Den afskårne overkølede væske flyder ikke kun lettere; molekylernes arrangement ændres også med øget strømning (også kaldet væskens struktur). Disse kendsgerninger gør det svært at beskrive klippede, superkølede væsker ved hjælp af grundlæggende teorier. IIS -forskerne brugte i stedet entropi til at beskrive forskæret, superkølet væskedynamik. Entropi er et mål for, hvor ordnet et system er; en krystal har en tendens til at være mere ordnet end en væske og dermed have lavere entropi.

"Ved at overveje arrangementet af molekyler under forskydning kunne vi forbinde superkølede væskers adfærd under forskydning til et grundlæggende begreb inden for fysik, nemlig entropien; eller mere specifikt, den to-krops strukturelle entropi, "siger medforfatter Trond S. Ingebrigtsen." Endvidere da to-krops entropien let kan beregnes i eksperimenter, kan vores resultater verificeres ikke kun ved computersimuleringer. Tidligere forsøg på at bruge to-krops entropien løb ind i problemer, da ændringen i arrangementerne af molekylerne under forskydning, eller strukturel anisotropi, blev ikke taget i betragtning. "

Da en væske får hurtigere til at flyde under forskydning, arrangementet af molekylerne skal tilpasse sig den nye situation, og fremkalde det, der kaldes strukturel anisotropi i væsken. Det betyder at, for eksempel, strukturen målt i forhold til strømningsretningen viser sig at være anderledes og påvirker egenskaberne af systemet som helhed.

"Ved at ændre to-krops entropien for at tage højde for disse strukturelle ændringer, der sker under forskydning, vi var i stand til at beskrive forskæret dynamik ved hjælp af væskens adfærd uden forskydning. Vi fandt ud af, at entropien med to legemer beregnet langs den såkaldte strækningsakse for strømmen var nøglemængden til beskrivelse af forskæret dynamik. To-krops entropien i de andre retninger kunne sikkert ignoreres, "Siger Ingebrigtsen." Intuitivt, strukturen langs den udvidede retning er vigtig, da forskydningsstrømmen i denne retning åbner for mere plads, og molekylerne lettere kan slippe ud. "

Computersimuleringerne afdækkede ikke den fulde mekanisme bag forskydningstyndning, men at opdage sammenhængen mellem forskæret dynamik og den to-krops strukturelle entropi gav ny indsigt i de strukturelle ændringer, der er relevante for at forstå fænomenet forskydningsudtynding.

"Vi var meget glade for, at alle vores simulerede modelvæsker gav så klare resultater, da de blev valgt til at dække en meget bred vifte af modelvæsker, der især var relevante for forsøg, "forklarer medforfatter Hajime Tanaka." Nu, udfordringen er at forstå mere detaljeret den mikroskopiske mekanisme bag disse observationer for fuldt ud at forstå mekanismen bag forskydningsfortynding. Vi er meget positive i denne henseende. "