Forskare vid University of Tokyo rapporterar att tvåkroppsstrukturell entropi är nyckelmängden för att förstå dynamiken i skjuvade, avkylda vätskor och även mekanismen bakom fenomenet skjuvningsspädning.

Underkylda vätskor

Vätskor är det minst förstådda tillståndet av materia. Att vara mellanliggande mellan gaser och fasta ämnen, deras beteende är en oförutsägbar blandning av båda. Särskilt ovanliga är glasbildande vätskor, som kan kylas under sin fryspunkt utan att kristallisera. Sådana underkylda vätskor blir trögflytande med en minskning av temperaturen, och så småningom bli glasartade fasta ämnen (glasögon) under glasövergångstemperaturen. Vi ser denna typ av beteende i glasblåsningen.

Nu, i en tidning publicerad i PNAS , två forskare vid University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) har avslöjat nya insikter om beteendet hos superkylda vätskor som får flöde via klippning.

Klippda underkylda vätskor

Initialt, som en superkyld vätska får flöde genom skjuvning ("dragning"), dess viskositet förblir oförändrad. Men eftersom vätskan får flödet snabbare, viskositeten börjar överraskande nog minska och det blir lättare för vätskan att rinna (dvs den blir mindre klibbig). Detta fenomen kallas skjuvförtunning, och det är en industriellt viktig process, som när två smorda ytor lätt glider mot varandra. Trots årtionden av forskning och stora ansträngningar från många forskare, mekanismen bakom gallring av skjuvning är fortfarande okänd.

IIS -forskarna använde datorsimuleringar med grafikkort (GPU) för att simulera flera datormodeller med superkylda vätskor när de fick strömma genom skjuvning. Den klippta underkylda vätskan flyter inte bara lättare; molekylernas arrangemang ändras också med ökat flöde (kallas även vätskans struktur). Dessa fakta gör klippta underkylda vätskor svåra att beskriva med grundläggande teorier. IIS -forskarna använde istället entropi för att beskriva skjuvad överkyld vätskedynamik. Entropi är ett mått på hur ordnat ett system är; en kristall tenderar att vara mer ordnad än en vätska och har därför lägre entropi.

"Genom att överväga arrangemanget av molekyler under skjuvning kunde vi koppla beteendet hos underkylda vätskor under skjuvning till ett grundläggande koncept inom fysik, nämligen entropin; eller mer specifikt, den tvåkroppsstrukturella entropin, "säger medförfattaren Trond S. Ingebrigtsen." Dessutom eftersom entropin med två kroppar enkelt kan beräknas i experiment kan våra resultat verifieras inte bara genom datorsimuleringar. Tidigare försök att använda tvåkroppsentropin stötte på problem när förändringen i molekylernas arrangemang under skjuvning, eller strukturell anisotropi, togs inte i beaktande."

Eftersom en vätska får flyta snabbare under skjuvning, arrangemanget av molekylerna måste anpassa sig till den nya situationen, och inducera det som kallas strukturell anisotropi i vätskan. Detta innebär att, till exempel, strukturen mätt med avseende på flödesriktningen kommer att visa sig vara annorlunda och påverkar systemets egenskaper som helhet.

"Genom att ändra entropin med två kroppar för att ta hänsyn till dessa strukturella förändringar som sker under skjuvning, vi kunde beskriva skjuvdynamik med hjälp av vätskans beteende utan skjuvning. Vi fann att tvåkroppsentropin beräknad längs den så kallade extensionsaxeln för flödet var nyckelmängden för att beskriva skjuvad dynamik. Tvåkroppsentropin i de andra riktningarna kunde säkert ignoreras, "Säger Ingebrigtsen." Intuitivt, strukturen längs utsträckningsriktningen är viktig eftersom skjuvflödet i denna riktning öppnar för mer utrymme och molekylerna lättare kan fly. "

Datorsimuleringarna avslöjade inte hela mekanismen bakom skjuvning, men att upptäcka korrelationen mellan skjuvdynamik och den strukturella entropin i två kroppar gav nya insikter om de strukturella förändringar som är relevanta för att förstå fenomenet med skjuvförtunning.

"Vi var mycket glada över att alla våra simulerade modellvätskor gav så tydliga resultat, eftersom de valdes att täcka ett mycket brett spektrum av modellvätskor som är särskilt relevanta för experiment, "förklarar medförfattaren Hajime Tanaka." Nu, utmaningen är att mer i detalj förstå den mikroskopiska mekanismen bakom dessa observationer för att till fullo förstå mekanismen bakom skjuvförtunning. Vi är mycket positiva i detta avseende. "