En suspension av partiklar av olika storlekar under skjuvningsexperiment utförda i Paulo Arratias labb, med pilar som indikerar partikelflöde och banor. I en ny studie publicerad i Nature Physics beskriver forskare förhållandet mellan ett oordnat materials individuella partikelarrangemang och hur det reagerar på externa stressorer. Studien fann också att dessa material har "minne" som kan användas för att förutsäga hur och när de kommer att flöda. Kredit:Arratia lab
Ny forskning publicerad i Nature Physics beskriver förhållandet mellan ett oordnat materials individuella partikelarrangemang och hur det reagerar på yttre stressfaktorer. Studien fann också att dessa material har "minne" som kan användas för att förutsäga hur och när de kommer att flöda. Studien leddes av Larry Galloway, en Ph.D. student i Paulo Arratias labb och Xiaoguang Ma, en före detta postdoc i Arjun Yodhs labb, i samarbete med forskare i Douglas Jerolmack och Celia Reinas labb.
Ett oordnat material är slumpmässigt arrangerat i partikelskalan, t.ex. atomer eller korn, istället för att fördelas systematiskt – tänk på en sandhög istället för en prydligt staplad tegelvägg. Forskare i Arratia-labbet studerar denna klass av material som en del av Penn's Materials Research Science &Engineering Center, där ett av programmets fokus ligger på att förstå organisationen och spridningen av partikelskaliga omarrangemang i oordnade, amorfa material.
Nyckelfrågan i denna studie var om man kunde observera strukturen hos ett oordnat material och ha någon indikation på hur stabilt det är eller när det kan börja gå sönder. Detta är känt som sträckgränsen, eller när materialet "flyter" och börjar röra sig som svar på yttre krafter. "Om du till exempel tittar på kornen i ett sandslott och hur de är ordnade, kan jag berätta om vinden kan blåsa över det eller om det måste slås hårt för att falla omkull?" säger Arratia. "Vi vill veta, bara genom att titta på hur partiklarna är ordnade, om vi kan säga något om hur de kommer att flöda eller om de kommer att flöda överhuvudtaget."
Även om det har varit känt att individuell partikelfördelning påverkar sträckgräns, eller flöde, i oordnade material, har det varit utmanande att studera detta fenomen eftersom fältet saknar sätt att "kvantifiera" oordning i sådana material. För att möta denna utmaning, samarbetade forskarna med kollegor från hela campus för att kombinera expertis inom områdena experiment, teori och simuleringar.
För experimenten spårar forskarna enskilda partiklar ovanpå ett vätske-luftgränssnitt som liknar hur kaffesump som flyter ovanpå vatten ser ut, säger forskarna. Sedan använder de en magnetisk nål som rör sig fram och tillbaka för att applicera en skjuvkraft. Med detta system kan forskarna systematiskt applicera krafter på 50 000 partiklar, spåra deras detaljerade rörelser och använda komplex bildanalys för att se om, till exempel, två intilliggande partiklar förblir bredvid varandra efter att en skjuvkraft applicerats.
Data genererade under partikelsuspensionsskjuvningsexperiment, med varje partikelfärg kodad för att visa skillnader i egenskaper som kallas lokal ordning och gitterdirektör och cirklar som indikerar partikelomarrangemang. Kredit:Arratia lab
En av utmaningarna med denna studie var att hitta ett mått som kunde hjälpa till att karakterisera störningar; för att göra detta vände sig forskarna till ett koncept som kallas överskottsentropi. Även om denna idé har använts tidigare för att studera enkla vätskor, var dess tillämpning i dessa större granulära system - där temperaturen inte påverkar partikelrörelsen - konceptuellt mycket ny, säger Galloway. "Vi tar termodynamik och tillämpar några av dess koncept på något som folk i allmänhet inte tror att termodynamiken gäller för", säger han.
För att hjälpa till att koppla deras experimentella resultat till teorier om överdriven entropi, arbetade Arratia-labbet med kollegor från Reina-gruppen, som har teoretisk expertis inom termodynamik som inte är jämvikt, samt kollegor från Yodh-labbet, som har experimenterat med överskottsentropikoncept för att belysa jämviktssystem och icke-jämviktssystem. Dessutom delade Jerolmacks grupp med sig av sin expertis i att studera partikelflöde för att hjälpa till att koppla samman de komplexa experimentella resultaten med simuleringar.
En av de viktigaste resultaten från denna studie är att oordnade material kan "minna" krafterna som applicerades på dem och att detta minne kan mätas genom att titta på individuella partikelfördelningar. "Om du zoomar in och tittar på var alla olika partiklar finns kan du läsa ut vilka minnen som finns lagrade där", säger Galloway.
Forskarna fann också att oordnade material förlorar detta minne när en tröskel för stress överskrids, vilket inträffar samtidigt som materialet når sin sträckgräns och börjar rinna. "Om du applicerar lite stress kommer materialet att komma ihåg, och det kommer att gå tillbaka till det ursprungliga tillståndet", säger Arratia. "Men om du börjar klippa med mer kraft börjar den förlora sitt minne. Det är precis där vi upptäcker att materialet ger och börjar flöda, och att kritisk stress är relaterad till minnesförlust."
Medan begreppet minne i oordnade material hade varit känt under en tid, överraskade forskarna den starka korrelationen som sågs i deras resultat mellan partikelfördelning, flöde och minne. Framöver planerar de att bygga vidare på detta arbete genom att studera andra partikelstorlekar och partikeltyper, forskning som kan hjälpa till att ta itu med hur universellt detta koncept är och hur deras resultat relaterar till termodynamik och överskott av entropi mer allmänt.
Arratia tillägger att med ett så brett utbud av system som fungerar som oordnade material, från eroderande sluttningar med risk för att orsaka lerskred till levande organismer som biofilmer, är de möjliga konsekvenserna för fält bortom termodynamiken många. "Jag hoppas att det här arbetet kommer att bli något som vi kan tillämpa på olika, olika system från hud, lerskred, biofilmer och många saker som är störda och även flyter", säger Arratia. + Utforska vidare
