Slemlagret på undersidan av en snigelfot är ett exempel på ett mjukt material som ger efter för stress upp till en viss punkt, sedan flyter. Detta beteende, förenklat i en ny studie från forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign, är det som hjälper snigeln att röra sig utan att glida obehagligt, liknande det för många andra naturliga och syntetiska material, från lera till tillsatserna som får tandkrämen att flyta när den kläms. Kredit:Rodrigo Quarteu
År av noggranna experimenterande har gett resultat för forskare som strävar efter att förena fysiken som definierar material som övergår från fasta ämnen till vätskor. Forskarna sa att en ny teoretisk modell kan hjälpa till att utveckla nya syntetiska material och informera och förutsäga civilingenjörs- och miljöutmaningar som lerskred, dammbrott och laviner.
Studien, ledd av University of Illinois Urbana-Champaign professor i kemi och biomolekylär ingenjör Simon Rogers, avslöjar ett enhetligt matematiskt uttryck som definierar hur mjuka men styva material övergår från ett fast material till ett vätskeflöde när de överskrider sin specifika spänningströskel. Resultaten publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev .
"Beteendet hos flytande vätskor har traditionellt definierats genom att försöka kombinera fysiken hos två olika typer av material:fasta ämnen och vätskor, " sa huvudförfattaren Krutarth Kamani, en kemisk och biomolekylär ingenjörsstudent vid Illinois. "Men nu, vi har visat att dessa fysiska tillstånd – fast och flytande – kan existera tillsammans i samma material, och vi kan förklara det med ett matematiskt uttryck."
För att utveckla denna modell, teamet utförde ett flertal studier som utsatte en mängd olika mjuka material för stress samtidigt som de mätte de individuella solidlike och vätskeliknande töjningsreaktionerna med hjälp av en enhet som kallas en reometer.
"Vi kunde observera ett materials beteende och se en kontinuerlig övergång mellan fast och flytande tillstånd, sa Rogers, som också är affiliate vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid U. of I. "De traditionella modellerna beskriver alla en abrupt förändring i beteende från fast till flytande, men vi kunde lösa två distinkta beteenden som återspeglar energiförlust via solida och flytande mekanismer."
Studien rapporterar att denna utveckling ger forskare en enkel modell att arbeta med, vilket gör det lättare att göra storskaliga beräkningar som de som behövs för att modellera och förutsäga katastrofala händelser som lerskred och laviner.
"De befintliga modellerna är beräkningsmässigt dyra, och forskare måste kämpa med siffrorna för att få beräkningarna att bli så exakta som möjligt, ", sa Rogers. "Vår modell är enkel och mer exakt, och vi har visat det genom många proof-of-concept-experiment."
Forskarna sa att komplexa flyttspänningsstudier av vätskor är ett hett ämne för dem som undersöker geofysiska flöden, avfallssanering och industriella processer som utveckling av nya material, 3D-utskrift och minimering av avfallstransportkostnader. "Vår modell definierar ett grundläggande exempel på fast-till-vätska-beteende, men jag tror att det kommer att fungera som en startpunkt för forskare att göra betydande framsteg när det gäller att definiera de mer komplexa fenomenen med flytstress."
