Glasögon och geler är två olika typer av fasta material som vanligtvis används i en mängd olika miljöer. Trots deras markant olika sammansättning delar dessa distinkta material vissa liknande egenskaper, till exempel uppvisar de styvhet utan en translationsordning och en långsam omvandling över tiden.
Forskare vid University of Tokyo satte sig nyligen för att bättre förstå skillnaderna mellan glasögon och geler, särskilt med fokus på deras elastiska egenskaper. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , kastar ljus över ursprunget och utvecklingen av elasticitet i dessa två klasser av amorfa fasta ämnen.
"Vår forskning började med att observera de unika mekaniska förändringarna i kolloidala geler under åldrande," berättade Hajime Tanaka, senior författare av tidningen, till Phys.org. "Även om glasögon och geler har liknande egenskaper som amorfa fasta ämnen - som styvhet utan ordning och långsammare dynamik under åldrandet - fann vi något oväntat.
"Medan vi studerade hur elasticitetsmodulen för kolloidala geler förändras med tiden upptäckte vi en överraskande trend:istället för att bli styvare med tiden som glasögon, mjuknade gelerna faktiskt efter en längre åldringsperiod - ungefär två månader för 2 μm kolloidala partiklar."
I sin tidigare forskning samlade Tanaka och hans medarbetare fynd som utmanade befintliga föreställningar om hur amorfa fasta ämnen utvecklas över tiden. Specifikt fann deras studier att åldringsdynamiken i dessa typer av fasta ämnen inte alltid leder till en ökning av styvheten.
"Det här oväntade fyndet gjorde oss nyfikna på skillnaderna mellan glasögon och geler och vad som orsakar dem," förklarade Tanaka. "Vår studie syftade alltså till att avslöja de unika elastiska egenskaperna hos glasögon och geler och förstå orsakerna bakom dem. Vi ville också lära oss hur förhållandet mellan struktur och dynamik påverkar de mekaniska egenskaperna hos amorfa fasta ämnen."
För att studera de elastiska egenskaperna hos kolloidala glasögon och geler körde forskarna tredimensionella (3D) Langevin-dynamiksimuleringar. Dessa simuleringar gjorde det möjligt för dem att modellera både kolloidala glas som kännetecknas av repulsiva partiklar och kolloidala geler med attraktiva partiklar.
"Vi studerade åldrandeprocessen för båda systemen genom att snabbt överföra dem från jämvikt till tillstånd utanför jämvikt," sade Yinqiao Wang, första författare till tidningen. "För att efterlikna experimentella förhållanden lät vi först partiklar i båda systemen komma i jämvikt i flytande tillstånd. Sedan ökade vi snabbt packningsfraktionen bortom glasövergångströskeln för att bilda kolloidala glas. Omvänt, för kolloidala geler, sänkte vi snabbt temperaturen långt under avblandningstemperaturen för gas och vätska."
När de observerade åldringsprocessen för de två modellerade systemen, övervakade forskarna noggrant utvecklingen av deras elasticitet, samtidigt som de tog hänsyn till termiska fluktuationer. Detta gjordes med hjälp av oscillerande deformationer med liten amplitud eller genom att direkt lösa den hessiska matrisen.
"Samtidigt analyserade vi förändringar i vibrationsdynamik och struktur, inklusive orienteringsordningsparametrar och Voronoi-anisotropi i glasögon, samt anslutningar på partikel- och nätverksskalor i geler," förklarade Tanaka. "Våra resultat belyser det invecklade samspelet mellan struktur, dynamik (termiska fluktuationer) och elastiska egenskaper i icke-jämviktsordnade system, med fokus på två typiska amorfa fasta ämnen:kolloidala glas och geler,"
Tanaka och hans kollegor fann att medan glas och geler delar några liknande egenskaper som amorfa fasta ämnen i icke-jämvikt, är deras elastiska egenskaper markant olika. Deras artikel belyser också några av de unika mekanismerna bakom dessa två typer av system respektive beteenden.
"Vårt arbete ger inte bara värdefulla insikter i grundläggande icke-jämviktsfysik utan har också betydande konsekvenser för materialvetenskap," sa Tanaka. "Det erbjuder en fysisk grund för att skilja mellan glasögon och geler, särskilt i utmanande scenarier som icke-ergodiska tillstånd av Laponite suspensioner."
Det senaste arbetet av denna forskargrupp bidrar till förståelsen av de fysiska processer som ligger bakom elasticiteten i kolloidala glasögon och geler. Den nya insikten den ger kan snart informera om design och tillverkning av amorfa fasta ämnen med önskade elastiska egenskaper.
"I vår framtida forskning kommer vi att undersöka de mekaniska egenskaperna hos amorfa fasta ämnen, inklusive granulära material, frånstötande/attraktiva glasögon och geler," tillade Tanaka. "Vi strävar efter att fördjupa vår förståelse av dessa komplexa oordnade system genom systematisk utforskning, med målet att reda ut deras underliggande mekanismer och implikationer över olika materialsystem."
Mer information: Yinqiao Wang et al, Distinkta elastiska egenskaper och deras ursprung i glas och geler, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02456-6
Journalinformation: Naturfysik
© 2024 Science X Network
