Единая теория объясняет, как материалы превращаются из твердых тел в жидкости

Исследование, проведенное профессором химической и биомолекулярной инженерии Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн Саймоном Роджерсом, раскрывает унифицированное математическое выражение, которое определяет, как мягкие, но жесткие материалы переходят из твердого состояния в поток жидкости, когда они превышают свой удельный порог напряжения. Результаты опубликованы в журнале. Письма с физическими проверками.

Слой слизи на нижней стороне стопы улитки — один из примеров мягкого материала, который до определенного момента поддается нагрузке, а затем течет. Это поведение, упрощенное в новом исследовании исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, помогает улитке двигаться без громоздкого скольжения, как у многих других природных и синтетических материалов, от грязи до добавок, которые заставляют зубную пасту течь, когда выжал. Предоставлено: Родриго Квартё.

«Поведение жидкостей с пределом текучести традиционно определялось попыткой объединить физику двух разных типов материалов: твердых тел и жидкостей», — сказал ведущий автор Крутарт Камани, аспирант химической и биомолекулярной инженерии в Иллинойсе. «Но теперь мы показали, что эти физические состояния — твердое и жидкое — могут существовать вместе в одном и том же материале, и мы можем объяснить это с помощью одного математического выражения».

Чтобы разработать эту модель, команда провела многочисленные исследования, в которых различные мягкие материалы подвергались нагрузкам, измеряя при этом индивидуальные твердоподобные и жидкоподобные реакции на деформацию с помощью устройства, называемого реометром.

«Мы смогли наблюдать за поведением материала и увидеть непрерывный переход между твердым и жидким состояниями», — сказал Роджерс, который также является филиалом Института передовых наук и технологий им. Бекмана в Университете штата Айленд. «Традиционные модели все описывают резкое изменение поведения от твердого к жидкому, но мы смогли выделить два различных поведения, которые отражают диссипацию энергии через твердые и жидкие механизмы ».

В исследовании сообщается, что эта разработка дает исследователям простую модель для работы, облегчая выполнение крупномасштабных расчетов, подобных тем, которые необходимы для моделирования и прогнозирования катастрофических событий, таких как оползни и лавины.

«Существующие модели требуют больших вычислительных ресурсов, и исследователям приходится бороться с числами, чтобы расчеты были как можно более точными», — сказал Роджерс. «Наша модель проста и более точна, и мы показали это в ходе множества экспериментов по проверке правильности концепции».

Исследователи заявили, что комплексные исследования предела текучести флюидов являются актуальной темой для тех, кто исследует геофизические потоки, восстановление отходов и промышленные процессы, такие как разработка новых материалов, 3D-печать и минимизация затрат на транспортировку отходов. «Наша модель определяет базовый пример поведения твердого вещества в жидкость, но я думаю, что это послужит отправной точкой для исследователей, чтобы добиться значительного прогресса в определении более сложных явлений текучести жидкости».