Movers and shakers:Nyt bevis for en samlende teori om granulerede materialer

At forstå dynamikken i granulære materialer - såsom sand, der strømmer gennem et timeglas eller salt, der hældes gennem en ryster - er et stort uløst problem i fysikken. Et nyt papir beskriver et mønster for, hvordan rekordstore "rystende" hændelser påvirker dynamikken i et granuleret materiale, når det bevæger sig fra en spændt til en afslappet tilstand, tilføjer til beviset for, at en samlende teori ligger til grund for denne adfærd.

Det Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ) udgav værket af Stefan Boettcher, en teoretisk fysiker fra Emory, og Paula Gago, en ekspert i modellering af den statistiske mekanik af granulat i Department of Earth Science and Engineering ved Imperial College of London.

"Vores arbejde markerer endnu et lille skridt fremad for at beskrive granulære materialers adfærd på en ensartet måde, "siger Boettcher, professor og formand for Emorys Institut for Fysik.

"En fuldstændig forståelse af granulerede materialer kan have stor indflydelse på en række industrier, "tilføjer han." For blot at nævne nogle få eksempler, det er relevant for komprimering af granulater til piller til fremstilling af piller, forarbejdning af korn i landbruget og til at forudsige adfærd i alle former for geofysisk stof, der er involveret i anlægsarbejde. "

Granulære materialer er uordnede systemer, der ofte findes i en tilstand, der er langt fra ligevægt. Eksempler omfatter alt fra sand, ris og kaffegrums til kuglelejer.

"De er slags" ulige kugler "af stof, fordi de opfører sig anderledes end faste stoffer, væsker og gasser, "Siger Boettcher.

Mens vandets faser, for eksempel, kan let beskrives som enten en væske, fast eller gas, afhængigt af specifikke temperaturer, termodynamikken i ikke-ligevægtssystemer er ikke veldefineret. En stor komplikation er det faktum, at individuelle partikler i de fleste granulære materialer har forskellige, forskellige egenskaber og udøver friktionskræfter på hinanden. Og ændringer i temperaturen giver ikke væsentlig bevægelse i dem. Tyngdekraften komplicerer yderligere opførslen af ​​granulerede materialer, da det påvirker tætheden af ​​forskellige lag i et partikelsystem.

I 1997, forskere udviklede en måde at ryste granulerede materialer på en kontrollerbar måde til en række eksperimenter på det, der er kendt som "Chicago -bunken". De fyldte et glasbæger med glasperler i mikronstørrelse og "bankede" materialet opad med en bestemt amplitude. De var derefter i stand til at måle den resulterende densitet af materialet i bægeret som en funktion af hanernes styrke, eller energien, der pulserer gennem systemet.

Boettcher og hans samarbejdspartner ønskede at få en molekylær forståelse af komprimeringsdynamikken i en granulær bunke gennem analyse af computersimuleringer. De var særligt interesserede i at sammenligne en granulær bunktæthed i både spændt og afslappet tilstand for at lede efter mønstre.

Inspireret af Chicago -bunkeforsøgene, forskerne kørte computersimuleringer baseret på 60, 000 kugler, fra 1 til 1,02 mikrometer i diameter, indeholdt i en lodret cylinder 2,4 centimeter i diameter. Cylinderen tappes gennem energipulser indstillet til præcise amplituder. Teknologien giver forskerne mulighed for at måle tætheden af ​​bunken lokalt og globalt ved at spore skiftende antal nabopartikler, hver enkelt partikel rører ved.

Simuleringerne viste, at når en række vandhaner har nøjagtig samme styrke, bunkenes tæthed stiger stadig langsommere, eller logaritmisk. Når hanerne fortsætter over tid, stadig større, rekordstore skift i arrangementet af kornene er påkrævet for at øge bunkenes tæthed. Disse rekordstore udsving er stadig sværere at opnå, forklarer de langsomme gevinster i tæthed.

"Du kan tænke på det som et bæger fyldt med løst sand, "Forklarer Boettcher." Først er der store huller mellem kornene. Så indledningsvis det er let for et korn at skifte position ved at falde ned i et tomt rum. Men da disse rum begynder at blive mindre, det bliver mindre sandsynligt, at et korn kan falde gennem et. Når hanerne fortsætter, det tager stadig flere samarbejdsarrangementer at skabe den plads, der er nødvendig for mere komprimering. "

Tidligere forskning har vist et lignende statistisk mønster for opførsel af amorfe faste stoffer, der ikke danner ordnede krystaller, når de flytter fra en væske til en fast tilstand, såsom glas og mange polymerer.

"Det tyder på, at dette mønster kan være et stykke puslespil til at finde en systematisk måde at beskrive materialer, der er ude af ligevægt, "Siger Boettcher.

Forskerne dykker nu dybere ned i spørgsmålet om, hvorvidt hanernes kinetiske energi kan svare til måden, temperaturen bruges til at beskrive materialer i klassisk fysik.