Oplåsning af papirstop i flydende materialer:En teoretisk model til at forstå, hvordan man bedst undgår fastklemning af blødt stof

Abstrakt:

Jamming, et materiales manglende evne til at flyde, er et allestedsnærværende fænomen i blødt stofsystemer, herunder granulære materialer, kolloider og biologiske væv. Forståelse og forebyggelse af jamming er afgørende for forskellige applikationer, såsom flowet af lægemidler og kosmetik, forarbejdning af fødevarer og design af bløde robotmaterialer. På trods af omfattende forskning mangler der stadig en omfattende teoretisk ramme, der kan forudsige jamming og vejlede strategier for at undgå det. Her udvikler vi en teoretisk model, der fanger de mikroskopiske mekanismer, der er ansvarlige for jamming i flydende materialer. Vores model afslører, at jamming opstår, når materialets mikrostruktur udvikler stive, indbyrdes forbundne netværk, der forhindrer partiklerne i at flyde forbi hinanden. Vi identificerer nøgleparametre, der styrer dannelsen af ​​disse netværk, og udleder analytiske udtryk for jamming-sandsynligheden som en funktion af disse parametre. Vores model giver et kraftfuldt værktøj til at forstå og forudsige jamming i en bred vifte af blødt stof-systemer og til at designe strategier for at undgå jamming, såsom optimering af partikelform, styring af partikelinteraktioner og anvendelse af eksterne felter.

Introduktion:

Jamming er et fænomen, hvor et flydende materiale gennemgår en overgang fra en flydende tilstand til en fast-lignende tilstand, hvor materialet bliver ude af stand til at flyde. Denne overgang er ofte ledsaget af en dramatisk stigning i materialets viskositet og elasticitet, hvilket gør det vanskeligt eller umuligt at manipulere eller bearbejde. Jamming observeres almindeligvis i en lang række bløde stofsystemer, herunder granulære materialer, kolloider og biologiske væv. Forståelse og forebyggelse af jamming er afgørende for forskellige applikationer, såsom flowet af lægemidler og kosmetik, forarbejdning af fødevarer og design af bløde robotmaterialer.

Teoretisk model:

Vores teoretiske model er baseret på begrebet frit volumen, som er den plads, der er til rådighed for partikler at bevæge sig i et materiale. Jamming opstår, når det frie volumen bliver for lille til at tillade partikler at omarrangere og flyde forbi hinanden. Vi beregner det frie volumen ved at overveje det udelukkede volumen af ​​partiklerne og interaktionerne mellem dem. Vi viser, at det frie volumen afhænger af partikelformen, partikelinteraktioner og eksterne felter påført materialet.

Sandsynlighed for jamming:

Baseret på vores beregning af det frie volumen udleder vi analytiske udtryk for jamming-sandsynligheden som funktion af de nøgleparametre, der styrer dannelsen af ​​stive, indbyrdes forbundne netværk. Disse parametre omfatter partikelvolumenfraktionen, partikelformen, inter-partikel-interaktioner og eksterne felter. Vores model forudsiger, at jammingssandsynligheden stiger med stigende partikelvolumenfraktion, ikke-sfærisk partikelform, attraktive interpartikelinteraktioner og fraværet af eksterne felter.

Strategier til at undgå jamming:

Vores model giver indsigt i, hvordan man undgår fastklemning i flydende materialer. Ved at manipulere de nøgleparametre, der styrer jamming, er det muligt at designe materialer, der er mindre tilbøjelige til at sætte sig fast, eller at udvikle strategier til at forhindre jamming i eksisterende materialer. For eksempel kan man bruge partikler med et højt billedformat eller anvende eksterne felter for at reducere jamming-sandsynligheden.

Konklusion:

Afslutningsvis har vi udviklet en teoretisk model til at forstå jamming i flydende materialer. Vores model afslører de mikroskopiske mekanismer, der er ansvarlige for jamming og giver analytiske udtryk for jamming-sandsynligheden som en funktion af nøgleparametre. Denne model tilbyder et kraftfuldt værktøj til at forudsige jamming i en bred vifte af blødt stofsystemer og til at designe strategier for at undgå jamming, hvilket har vigtige konsekvenser for forskellige applikationer inden for industri og teknologi.