Forskere fanger en bølge for at bestemme, hvordan kræfter styrer granulære materialeegenskaber

Stressbølgeudbredelse gennem kornet, eller granuleret, materialer er vigtige for at detektere størrelsen af ​​jordskælv, lokalisering af olie- og gasreservoirer, design af akustisk isolering og design af materialer til komprimering af pulvere.

Et team af forskere ledet af en professor i maskinteknik fra Johns Hopkins brugte røntgenmålinger og analyser til at vise, at hastighedsskalering og spredning i bølgetransmission er baseret på partikelarrangementer og kraftkæder mellem dem, mens reduktion af bølgeintensitet hovedsageligt skyldes partikelarrangementer alene. Forskningen vises i 29. juni-udgaven af ​​tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vores undersøgelse giver en bedre forståelse af, hvordan finskalastrukturen af ​​et granulært materiale er relateret til adfærden af ​​bølger, der forplanter sig gennem dem, " sagde Ryan Hurley, assisterende professor i maskinteknik ved Johns Hopkins Whiting School of Engineering. "Denne viden er af fundamental betydning i studiet af seismiske signaler fra jordskred og jordskælv, i den ikke-destruktive evaluering af jord i anlægsteknik, og i fremstillingen af ​​materialer med ønskede bølgeegenskaber i materialevidenskab."

Hurley udtænkte denne forskning, mens han var postdoc ved Lawrence Livermore National Laboratory, samarbejde med et team, der omfattede LLNL-fysiker Eric Herbold. Forsøgene og analysen blev senere udført af Hurley og Whiting School postdoc Chongpu Zhai efter Hurley flyttede til JHU, med eksperimentel assistance og fortsatte drøftelser med Herbold.

Struktur-egenskabsforhold for granulære materialer er styret af arrangementet af partikler og kæderne af kræfter mellem dem. Disse relationer muliggør design af bølgedæmpende materialer og ikke-destruktive testteknologier. Bølgetransmission i granulære materialer er blevet grundigt undersøgt og demonstrerer unikke egenskaber:effekt-lov hastighedsskalering, spredning og dæmpning (reduktionen af ​​et signals amplitude, elektrisk strøm, eller anden svingning).

Tidligere forskning, dateres tilbage til slutningen af ​​1950'erne beskrev "hvad" der kan ske med materialet, der ligger til grund for bølgeudbredelsen, men den nye forskning giver bevis for "hvorfor."

"Det nye eksperimentelle aspekt af dette arbejde er brugen af ​​in-situ røntgenmålinger for at opnå pakningsstruktur, partikelspænding og interpartikelkræfter gennem et granulært materiale under den samtidige måling af ultralydstransmission, " sagde Hurley. "Disse målinger er det højeste datasæt til dato, der undersøger ultralyd, kræfter og struktur i granulerede materialer."

"Disse eksperimenter, sammen med de understøttende simuleringer, tillade os at afsløre, hvorfor bølgehastigheder i granulære materialer ændrer sig som en funktion af tryk og at kvantificere virkningerne af bestemte partikelskalafænomener på makroskopisk bølgeadfærd, " sagde Zhai, der ledede dataanalyseindsatsen og var det papirs første forfatter.

Forskningen giver ny indsigt i tids- og frekvensdomæneegenskaber ved bølgeudbredelse i tilfældigt pakkede kornede materialer, kaste lys over de grundlæggende mekanismer, der styrer bølgehastigheder, spredning og dæmpning i disse systemer.