Forskare från Tokyo Metropolitan University har studerat styrkan och segheten hos sandpelare gjorda av en blandning av klibbiga och icke-klibbiga korn. De har avslöjat mekanismen bakom hur styrkan förändras när korn blandas i olika förhållanden, och hur en blandning kan hjälpa till att hålla kolonnen mer motståndskraftig mot deformation. Icke-klibbiga korn är också lätta att ersätta med andra material, vilket möjliggör utformningen av starkare, segare, funktionellt material.
Granulärt material består av ett stort antal små korn, som sand och pulver. Sådana korn kan fås att fästa vid varandra, vilket ger starka material som betong. Men styrka är inte allt. Starka material kan vara spröda och lätt spricka när de deformeras. Vetenskapsdriven design av material som inte bara är starkare utan också tuffare fortsätter att vara en utmaning för materialforskare.
Ett team från Tokyo Metropolitan University under ledning av professor Rei Kurita har studerat de mekaniska egenskaperna hos sandpelare, en enkel men kraftfull modell för granulärt material. Istället för att fokusera på korn som alla klibbar till varandra, har de tittat på blandningar av icke-klibbig normal sand och "kinetisk" sand, silikonoljebelagda korn som kan fästa vid varandra. Forskningen är publicerad i tidskriften Communications Physics .
Även om mekaniken bakom "attraktiva korn" är relativt välkänd, kan det inte sägas för material där klibbighet bara förekommer i en delmängd av korn.
När de gjorde kolonner med olika proportioner av klibbiga korn, fann de att styrkan hos kolonnen, som kännetecknas av hur mycket de deformeras när de belastas, visar en karakteristisk stegvis förändring.
När andelen klibbig sand når 60 % hoppar styrkan plötsligt till ett högre värde. Mer klibbig sand leder inte till någon ytterligare ökning.
Genom datorsimuleringar av en liknande uppställning fann de att det var just då klibbiga korn bildade ett stelt nätverk som sträckte sig genom provet. Detta måste särskiljas från klibbiga korn som helt enkelt ansluts genom provet; linjer av klibbiga korn kan till exempel lätt deformeras när ändarna trycks ihop. Det är först när det finns tillräckligt med kopplingar mellan korn som de klibbiga kornen kan bära en vikt.
Till skillnad från typiska starka material visar dock dessa delvis klibbiga pelare ett unikt beteende när de utsätts för större belastningar. När kolonnen deformeras spricker inte kolonnerna; de ändrar istället sin form:kopplingarna mellan klibbiga korn förstörs inte bara utan kan omarrangeras och reformeras. Detta gör kolumnerna inte bara starka, utan tuffa.
Teamet noterar att eftersom mer än 60 % klibbiga korn inte förändrar styrkan, kan de andra 40 % enkelt bytas ut mot vilket annat material som helst, till exempel något med antibakteriella egenskaper. Denna kontraintuitiva designfunktion banar väg för kompositmaterial som inte bara är starkare och tuffare utan också funktionella.
Mer information: Honoka Fujio et al, Gelliknande mekanismer för hållbarhet och deformerbarhet i våta granulära system, Communications Physics (2024). DOI:10.1038/s42005-023-01518-0
Journalinformation: Kommunikationsfysik
Tillhandahålls av Tokyo Metropolitan University
