Kredit:CC0 Public Domain
Det sker uden for dit vindue, hver gang det regner:Jorden bliver våd og kan danne klistret mudder. Så tørrer det. Senere kan det regne igen. Hver befugtning og genfugtning påvirker jordens struktur og stabilitet. Disse ændringer tages i betragtning, når for eksempel, arkitekter og ingeniører design, websted, og opføre bygninger. Men mere bredt, videnskaben om, hvordan partikler klæber sammen og derefter trækkes fra hinanden, berører felter så forskellige som naturlige farer, gødskning af afgrøder, cementproduktion, og farmaceutisk design.
Ved at forene disse adskilte felter, et hold ved University of Pennsylvania har fundet ud af, at når partikler er våde og derefter får lov til at tørre, størrelsen af disse partikler har meget at gøre med, hvor stærkt de klæber sammen - og om de bliver sammen eller falder fra hinanden, næste gang de bliver våde.
Hvad giver disse klæbrige tilslag styrke, holdet fandt, er tynde broer, der dannes, når partikler af materialet suspenderes i en væske og derefter lades tørre, efterlader tynde partikler, der forbinder større klumper. Trådene, som forskerne kalder solide broer, øge aggregaternes stabilitet 10 til 100 gange.
Forskerne rapporterede deres resultater i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Dette solide brofænomen kan være allestedsnærværende og vigtigt for at forstå styrken og eroderbarheden af naturlig jord, " siger Paulo Arratia, en væskemekanisk ingeniør ved Penn's School of Engineering and Applied Science, og en medforfatter på undersøgelsen.
"Vi fandt ud af, at en partikels størrelse kan opveje bidraget fra dens kemiske egenskaber, når det kommer til at bestemme, hvor stærkt den klæber til andre partikler, " tilføjer Douglas Jerolmack, en geofysiker på School of Arts and Sciences og avisens tilsvarende forfatter.
Forskerholdet blev ledet af Ali Seiphoori, tidligere postdoc i Jerolmacks laboratorium og nu ved MIT, og inkluderede fysik postdoc Xiao-guang Ma. Det nuværende arbejde stammede fra undersøgelser, de havde forfulgt i samarbejde med Penn's Perelman School of Medicine om asbest, specifikt hvordan dens nålelignende fibre klæber til hinanden og til andre materialer for at danne aggregater. Det fik dem til at tænke mere generelt over, hvad der bestemmer styrken og stabiliteten af et tilslag.
Gruppen tog en eksperimentel tilgang til at besvare dette spørgsmål ved at skabe en simpel model for partikelaggregation. De suspenderede glaskugler i to størrelser, 3 mikron og 20 mikron, i en dråbe vand. (Til reference, et menneskehår er omkring 50 til 100 mikrometer bredt.) Da vandet fordampede, kanterne af dråben trak sig tilbage, trække partiklerne indad. Til sidst blev den krympende vanddråbe omdannet til flere mindre dråber forbundet med en tynd vandbro, kendt som en kapillærbro, før det også fordampede.
Holdet fandt ud af, at de ekstreme sugetryk forårsaget af fordampning trak de små partikler så tæt sammen, at de smeltede sammen i kapillærbroerne, efterlader solide broer mellem de større partikler, som de også var bundet til, når vandet er fordampet fuldstændigt.
Når holdet genfugte partiklerne, påføring af vand i en kontrolleret strøm, de fandt ud af, at aggregater, der udelukkende består af de 20 mikron partikler, var meget nemmere at afbryde og resuspendere end dem, der består af enten de mindre partikler, eller blandinger af små og større partikler.
"Vi fandt ud af, at hvis aggregater, der kun består af partikler, der er større end 5 mikron, blev genvædet, de kollapsede, " siger Jerolmack. "Men under 5 mikron, intet sker, aggregaterne var stabile."
I yderligere tests med blandinger af partikler af fire forskellige størrelser - mere tæt på at efterligne den naturlige jordsammensætning - fandt forskerne, at den samme brodannende effekt fandt sted i forskellige skalaer:De største partikler blev bygget bro med den næststørste, som igen blev slået bro af den tredjestørste, som selv blev stabiliseret af broer af de mindste partikler. Selv blandinger, der kun indeholdt en lille del af mindre partikler, blev mere stabile takket være solid brodannelse.
Hvor meget mere stabil? At finde ud af, Seiphoori limede omhyggeligt sonden fra et atomkraftmikroskop til en enkelt partikel, lad det sætte sig, og kvantificerede derefter den "trækkraft", der kræves for at fjerne den partikel fra aggregatet. Ved at gentage dette for partikler i aggregater af både store og små partikler, de fandt ud af, at partikler var 10 til 100 gange sværere at trække af, når de havde dannet en solid brostruktur end i andre konfigurationer.
For at overbevise sig selv om, at det samme ville være tilfældet med materialer udover deres eksperimentelle glasperler, de udførte lignende eksperimenter med to typer ler, der begge er almindelige komponenter i naturlig jord. Principperne holdt:de mindre lerpartikler og tilstedeværelsen af faste broer gjorde tilslag stabile. Og det omvendte var også sandt:Når lerpartikler mindre end 5 mikron blev fjernet fra suspensionerne, deres resulterende aggregater mistede sammenhængen.
"Lerjord menes at være grundlæggende sammenhængende, " siger Jerolmack, "og den sammenhængskraft er normalt blevet tilskrevet deres ladning eller en anden mineralogisk egenskab. Men vi fandt denne meget overraskende ting, at det ikke ser ud til at være de grundlæggende egenskaber ved ler, der gør det klæbrigt, men snarere det faktum, at lerpartikler har tendens til at være meget små. Det er en helt ny forklaring på samhørighed.«
Disse nye indsigter om partikelstørrelsens bidrag til aggregatstabilitet åbner nye muligheder for at overveje, hvordan man kan forbedre stabiliteten af materialer som jord eller cement, når det ønskes. "Du kunne forestille dig stabilisering af jord før et byggeprojekt ved at tilføje mindre partikler, der hjælper med at binde jorden sammen, " siger Jerolmack.
Ud over, produktion af forskellige materialer, fra medicinsk udstyr til LED-skærmbelægninger, er afhængig af tynd filmaflejring, som forskerne siger, kunne drage fordel af den kontrollerede produktion af aggregater, som de observerede i deres eksperimenter.