Ensartet teori forklarer, hvordan materialer omdannes fra faste stoffer til væsker

Års omhyggelige eksperimenter har båret frugt for forskere, der sigter på at forene den fysik, der definerer materialer, der går fra faste stoffer til væsker. Forskerne sagde, at en ny teoretisk model kunne hjælpe med at udvikle nye syntetiske materialer og informere og forudsige civilingeniør- og miljømæssige udfordringer såsom mudderskred, dæmningsbrud og laviner.

Studiet, ledet af University of Illinois Urbana-Champaign professor i kemisk og biomolekylær ingeniør Simon Rogers, afslører et samlet matematisk udtryk, der definerer, hvordan bløde, men stive materialer går fra et fast stof til et flydende flow, når de overskrider deres specifikke spændingstærskel. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Opførsel af flydespændingsvæsker er traditionelt blevet defineret ved at forsøge at kombinere fysikken i to forskellige typer materialer:faste stoffer og væsker, " sagde hovedforfatter Krutarth Kamani, en kemisk og biomolekylær ingeniørstuderende ved Illinois. "Men nu, vi har vist, at disse fysiske tilstande – fast og flydende – kan eksistere sammen i det samme materiale, og vi kan forklare det ved hjælp af ét matematisk udtryk."

For at udvikle denne model, holdet udførte adskillige undersøgelser, der udsatte en række forskellige bløde materialer for stress, mens de målte de individuelle fast- og væskelignende belastningsreaktioner ved hjælp af en enhed kaldet et reometer.

"Vi var i stand til at observere et materiales adfærd og se en kontinuerlig overgang mellem den faste og flydende tilstand, " sagde Rogers, som også er tilknyttet Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved U. of I. "De traditionelle modeller beskriver alle en brat ændring i adfærd fra fast til flydende, men vi var i stand til at løse to distinkte adfærd, der afspejler energispredning via faste og flydende mekanismer."

Undersøgelsen rapporterer, at denne udvikling giver forskere en enkel model at arbejde med, gør det nemmere at lave beregninger i stor skala som dem, der er nødvendige for at modellere og forudsige katastrofale hændelser som mudderskred og laviner.

"De eksisterende modeller er beregningsmæssigt dyre, og forskere er nødt til at kæmpe med tallene for at få beregningerne til at være så nøjagtige som muligt, " sagde Rogers. "Vores model er enkel og mere præcis, og det har vi vist gennem mange proof-of-concept eksperimenter."

Forskerne sagde, at komplekse flydespændingsstudier af væsker er et varmt emne for dem, der undersøger geofysiske strømme, affaldsrensning og industrielle processer som udvikling af nye materialer, 3D-print og minimering af affaldstransportomkostninger. "Vores model definerer et grundlæggende eksempel på fast-til-væske adfærd, men jeg tror, ​​det vil tjene som et springende punkt for forskere at gøre betydelige fremskridt med at definere de mere komplekse flyde-stress-væskefænomener."