Abstrakt:
Jamming, oförmågan hos ett material att flyta, är ett allestädes närvarande fenomen i mjuka materialsystem, inklusive granulära material, kolloider och biologiska vävnader. Att förstå och förhindra störningar är avgörande för olika tillämpningar, såsom flödet av läkemedel och kosmetika, bearbetning av livsmedel och design av mjuka robotmaterial. Trots omfattande forskning saknas fortfarande ett heltäckande teoretiskt ramverk som kan förutsäga störningar och vägleda strategier för att undvika det. Här utvecklar vi en teoretisk modell som fångar de mikroskopiska mekanismer som är ansvariga för att fastna i flytande material. Vår modell avslöjar att jamming uppstår när materialets mikrostruktur utvecklar stela, sammankopplade nätverk som hindrar partiklarna från att flöda förbi varandra. Vi identifierar nyckelparametrar som styr bildandet av dessa nätverk och härleder analytiska uttryck för störningssannolikheten som en funktion av dessa parametrar. Vår modell tillhandahåller ett kraftfullt verktyg för att förstå och förutsäga störning i ett brett spektrum av mjukmaterialsystem och för att utforma strategier för att undvika störning, såsom att optimera partikelformen, kontrollera partikelinteraktioner och applicera externa fält.
Introduktion:
Jamming är ett fenomen där ett flytande material genomgår en övergång från ett flytande tillstånd till ett fast-liknande tillstånd, där materialet blir oförmöget att flyta. Denna övergång åtföljs ofta av en dramatisk ökning av materialets viskositet och elasticitet, vilket gör det svårt eller omöjligt att manipulera eller bearbeta. Jamming observeras vanligtvis i ett brett spektrum av mjukmaterialsystem, inklusive granulära material, kolloider och biologiska vävnader. Att förstå och förhindra störningar är avgörande för olika tillämpningar, såsom flödet av läkemedel och kosmetika, bearbetning av livsmedel och design av mjuka robotmaterial.
Teoretisk modell:
Vår teoretiska modell bygger på konceptet fri volym, vilket är det utrymme som finns tillgängligt för partiklar att röra sig i ett material. Jamming uppstår när den fria volymen blir för liten för att tillåta partiklar att ordna om och strömma förbi varandra. Vi beräknar den fria volymen genom att beakta den uteslutna volymen av partiklarna och interaktionerna mellan dem. Vi visar att den fria volymen beror på partikelformen, partikelinteraktioner och yttre fält som appliceras på materialet.
Sannolikhet för störning:
Baserat på vår beräkning av den fria volymen härleder vi analytiska uttryck för störningssannolikheten som en funktion av nyckelparametrarna som styr bildandet av stela, sammanlänkade nätverk. Dessa parametrar inkluderar partikelvolymfraktionen, partikelformen, inter-partikelinteraktioner och externa fält. Vår modell förutspår att störningssannolikheten ökar med ökande partikelvolymfraktion, icke-sfärisk partikelform, attraktiva interpartikelinteraktioner och frånvaron av yttre fält.
Strategier för att undvika störningar:
Vår modell ger insikter i hur man undviker att fastna i flytande material. Genom att manipulera nyckelparametrarna som kontrollerar stopp, är det möjligt att designa material som är mindre benägna att kärva eller att utveckla strategier för att förhindra stopp i befintliga material. Till exempel kan man använda partiklar med ett högt bildförhållande eller applicera externa fält för att minska störningssannolikheten.
Slutsats:
Sammanfattningsvis har vi utvecklat en teoretisk modell för att förstå störning i flytande material. Vår modell avslöjar de mikroskopiska mekanismer som är ansvariga för störning och ger analytiska uttryck för störningssannolikheten som en funktion av nyckelparametrar. Denna modell erbjuder ett kraftfullt verktyg för att förutsäga störningar i ett brett utbud av mjukmaterialsystem och för att utforma strategier för att undvika störningar, vilket har viktiga konsekvenser för olika tillämpningar inom industri och teknik.
