Undersøgelse kaster lys over oprindelsen af elasticitet i glas og geler
Briller og geler er to forskellige typer faste materialer, der almindeligvis bruges i en lang række miljøer. På trods af deres markant forskellige sammensætning deler disse forskellige materialer nogle lignende egenskaber, for eksempel udviser de stivhed uden en translationsorden og en langsom transformation over tid.
Forskere ved University of Tokyo har for nylig sat sig for bedre at forstå forskellene mellem briller og geler, specielt med fokus på deres elastiske egenskaber. Deres papir, udgivet i Nature Physics , kaster lys over oprindelsen og udviklingen af elasticitet i disse to klasser af amorfe faste stoffer.
"Vores forskning startede med at observere de unikke mekaniske ændringer i kolloide geler under aldring," fortalte Hajime Tanaka, seniorforfatter af papiret, til Phys.org. "Selvom glas og geler har lignende egenskaber som amorfe faste stoffer - som stivhed uden orden og langsommere dynamik under aldring - fandt vi noget uventet.
"Mens vi studerede, hvordan elasticitetsmodulet af kolloide geler ændrer sig med tiden, opdagede vi en overraskende tendens:I stedet for at blive stivere over tid som briller, blev gelerne faktisk blødgjort efter en længere ældningsperiode - omkring to måneder for 2 μm kolloide partikler."
I deres tidligere forskning indsamlede Tanaka og hans samarbejdspartnere resultater, der udfordrede eksisterende forestillinger om, hvordan amorfe faste stoffer udvikler sig over tid. Specifikt viste deres undersøgelser, at ældningsdynamik i disse typer faste stoffer ikke altid fører til en stigning i stivhed.
"Dette uventede fund gjorde os nysgerrige efter forskellene mellem briller og geler, og hvad der forårsager dem," forklarede Tanaka. "Vores undersøgelse havde således til formål at afdække de unikke elastiske egenskaber ved glas og geler og forstå årsagerne bag dem. Vi ønskede også at lære, hvordan forholdet mellem struktur og dynamik påvirker de mekaniske egenskaber af amorfe faste stoffer."
For at studere de elastiske egenskaber af kolloide briller og geler kørte forskerne tredimensionelle (3D) Langevin-dynamiksimuleringer. Disse simuleringer gjorde det muligt for dem at modellere både kolloide glas karakteriseret ved frastødende partikler og kolloide geler med attraktive partikler.
"Vi studerede ældningsprocessen for begge systemer ved hurtigt at overføre dem fra ligevægtstilstande til tilstande uden for ligevægt," sagde Yinqiao Wang, førsteforfatter af papiret. "For at efterligne eksperimentelle forhold tillod vi først partikler i begge systemer at ækvilibrere i flydende tilstande. Derefter øgede vi hurtigt pakningsfraktionen ud over glasovergangstærsklen for at danne kolloide glas. Omvendt sænkede vi for kolloide geler hurtigt temperaturen et godt stykke under gas-væske afblandingstemperaturen."
Da de observerede ældningsprocessen for de to modellerede systemer, overvågede forskerne omhyggeligt udviklingen af deres elasticitet, mens de også tog hensyn til termiske udsving. Dette blev gjort ved hjælp af lille amplitude oscillerende deformationer eller ved direkte at løse den hessiske matrix.
"Samtidig analyserede vi ændringer i vibrationsdynamik og struktur, herunder orienteringsordensparametre og Voronoi-anisotropi i briller, såvel som forbindelser på partikel- og netværksskalaer i geler," forklarede Tanaka. "Vores resultater fremhæver det indviklede samspil mellem struktur, dynamik (termiske fluktuationer) og elastiske egenskaber i ikke-ligevægtsforstyrrede systemer, med fokus på to typiske amorfe faste stoffer:kolloide glas og geler,"
Tanaka og hans kolleger fandt ud af, at mens glas og geler deler nogle lignende egenskaber som amorfe faste stoffer i ikke-ligevægt, er deres elastiske egenskaber markant forskellige. Deres papir belyser også nogle af de unikke mekanismer, der ligger til grund for disse to typer systemers respektive adfærd.
"Vores arbejde giver ikke kun værdifuld indsigt i grundlæggende ikke-ligevægtsfysik, men har også betydelige konsekvenser for materialevidenskab," sagde Tanaka. "Det giver et fysisk grundlag for at skelne mellem briller og geler, især i udfordrende scenarier såsom ikke-ergodiske tilstande af Laponite suspensioner."
Det seneste arbejde fra dette forskerhold bidrager til forståelsen af de fysiske processer, der ligger til grund for elasticitet i kolloide glas og geler. Den nye indsigt, den giver, kan snart informere designet og fremstillingen af amorfe faste stoffer med ønskede elastiske egenskaber.
"I vores fremtidige forskning vil vi grundigt undersøge de mekaniske egenskaber af amorfe faste stoffer, herunder granulære materialer, frastødende/attraktive glas og geler," tilføjede Tanaka. "Vi sigter mod at uddybe vores forståelse af disse komplekse uordnede systemer gennem systematisk udforskning med det mål at optrevle deres underliggende mekanismer og implikationer på tværs af forskellige materielle systemer."
Flere oplysninger: Yinqiao Wang et al., Distinkte elastiske egenskaber og deres oprindelse i glas og geler, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02456-6
Journaloplysninger: Naturfysik
© 2024 Science X Network
Varme artikler
-
Glat, når det er vådt:Hvordan virker smøring?Fluorescensintensitetsbillede af kontakten mellem en polystyrenkugle og glassubstratet. Skalalinjen angiver fluorescensintensitetsgradient fra de laveste (blå) til de højeste (røde) værdier. Blå områd -
Forskere fremstiller en ny klasse af krystallinsk fast stofDette billede viser resultaterne af scanning af røntgenmikrodiffraktion (μSXRD) med rumlig submikronopløsning. Lauediffraktion (a) fra en ubegrænset Sb2S3 enkeltkrystal (øverst) og laserfabrikeret RLS -
Spar tid ved at bruge matematik:Analytisk værktøj designer proptrækkerformede nano-antennerNano-antennerne blev produceret i et elektronmikroskop ved direkte elektronstråleskrivning. Kredit:HZB Nanostrukturerne fra Katja Höflichs HZB-team er formet som proptrækkere og lavet af sølv. Mat -
Ny diode har optisk styret kapacitansKredit:Petr Kratochvil/public domain Et team af forskere ved Israel Institute of Technology har udviklet en ny kondensator med en metal-isolator-halvleder (MIS) diode struktur, der kan indstilles
- Interne kræfter, der styrer cellemigration, afsløres ved levende cellemikroskopi
- Health tracking sensor til kæledyr og mennesker overvåger vitale tegn gennem pels eller tøj
- Hvad er den strukturelle klassifikation af nervesystemet?
- Afgørende forskning opdager praksis, teknologier, der er nøglen til bæredygtigt landbrug
- Ny type magnetisme afsløret i et ikonisk materiale
- Nyt elektronmikroskop udvider egenskaberne for karakterisering af materialer på laboratoriet