Aktif parçacıklar, yıkıcı kırılganlık olmadan kararlı camları daha güçlü hale getirebilir

En güçlü gözlüklerin Aşil topuğu vardır ve bu, limitleri aşıldığında felaketle sonuçlanmalarına neden olur. Tüm hasar tek bir düzlemde yoğunlaştığından ve malzeme anında bozulduğundan bükülmez veya esnemezler. Bu kırılganlık, toplu metalik camlardan mühendislik meta malzemelerine kadar yüksek stabiliteye sahip amorf katıların kullanışlılığını uzun süre sınırladı.

Haydarabad’daki Tata Temel Araştırma Enstitüsü’nden (TIFR) Rashmi Priya ve Smarajit Karmakar, Düsseldorf’taki Heinrich Heine Üniversitesi’nden (HHU) Jürgen Horbach ile işbirliği içinde, bu sorunu çözmenin olası bir yolunu rapor ediyor: Camı kesilirken kendinden tahrikli parçacıklarla “bağlamak”, kırılganlığını önemli ölçüde azaltır. Bu aynı zamanda malzemenin daha yüksek strese dayanmasını sağlayarak onu eskisinden daha güçlü hale getirir. Bu teorik çerçeve, camlardaki kırılganlık konusundaki anlayışımızı güçlendirir ve kaymayı kendi kendine itme ile ilişkilendirir.

Kırılganlık nereden geliyor?

Kristalin aksine, camın tekrarlanan atomik deseni yoktur. Parçacıkları, tıpkı camın oluştuğu sıvıdaki gibi düzensizdir ancak oldukları yerde sıkışıp kalmışlardır. Ne kadar sıkı tutuldukları camın nasıl hazırlandığına bağlıdır. Her vadinin parçacıkların olası bir düzenini temsil ettiği tepeler ve vadilerden oluşan engebeli bir manzara hayal edelim. Yavaş yavaş soğuyan veya iyice yaşlanan bir cam, derin bir vadiye yerleşir. Kararlıdır ve rahatsız edilmesi zordur, ancak sınırı aşıldığında kırılgandır. Hızla soğuyan bir cam daha sığ bir vadide yakalanır. Daha az kararlı olduğundan daha zayıftır ancak daha esnektir.

Fark, kesme altında ortaya çıkıyor: Bir bloğun altını sabitlediğinizi ve üst kısmını yanlara doğru ittiğinizi hayal edin. Kırılgan bir camda, gerilim büyük bir akma değerine ulaşana kadar deformasyon bastırılmış halde kalır. Parçacıklar aniden bir kayma bandı halinde organize oluyor: streste ani bir düşüşle birlikte tüm numuneyi kesen, yoğun bir yeniden düzenlemenin ince bir düzlemi. Daha az dayanıklı camlar genellikle daha yavaş deforme olur; Malzemenin genelinde yeniden düzenlemeler meydana gelir ancak bu camlar fazla yük taşıyamaz. Bir sistemin sağlamlığı ve sünekliği birbiriyle çelişiyor ve araştırmacılar bu dengenin cam hazırlandıktan sonra değiştirilip değiştirilemeyeceğini sordular.

Bir çatlaktan ağa

Araştırmacılar teorik bir yaklaşım benimsediler ve küçük bir miktar kendinden tahrikli parçacık (SPP) ile katkılandığında bir camın nasıl deforme olacağını simüle ettiler. SPP’ler, bir süspansiyon içinde toplanmış bakteriler veya yandığında yüzen sentetik kolloidler gibi, kendi yakıtlarını taşıyan ve kendilerini iten parçacıklardır. Doğru koşullar altında aktif parçacıklar camı yumuşatmaz; Aslında malzemenin mekanik parmak izi olan gerilim-gerinim eğrisi bir uçurumdan yuvarlak bir tepeye dönüşüyor. Cam daha geç ve daha yüksek strese maruz kalır. Bir zamanlar hasarın biriktiği tek düzlemin yerini, artık onu yavaş yavaş bağlanan çok sayıda küçük bantlara yayan bir ağ alıyor. Faaliyet yalnızca cam bozulduğunda değil, aynı zamanda nasıl bozulduğu da değişir.

Bu davranış, kaymanın camı deforme ettiği süre, aktif parçacıkların bir yönde hareket etmeye devam ettiği süre ve kesme bandının yayılma hızı arasındaki rekabetten kaynaklanır. Dış kayma ve aktivite birlikte kayma bandı yayılmasıyla rekabet ederek deformasyonun tek bir bantta mı yoğunlaşacağını yoksa birden fazla bant boyunca mı yayılacağını belirler. Bunun arkasında ilginç bir eşdeğerlik yatıyor: Bir camın ne kadar hızlı veya yavaş kesildiği, yerel aktif güce karşı değiş tokuş edilebilir. Sonuç olarak, zayıf aktiviteye sahip hızlı bir şekilde kesilen bir cam, güçlü aktiviteye sahip, yavaş bir şekilde kesilen bir cam gibi akabilir. Bu eşdeğerlik, sabit bir gerilimin uygulandığı ve artan aktivitenin akışı geciktirdiği ve camın deforme olma hızını azalttığı sürünme altında da devam eder.

Anahtar kalıcılık süresinde yatmaktadır: her aktif parçacığın yeniden yönlenmeden önce ne kadar süreyle bir yönde ilerlemeye devam ettiği. Kalıcılık süresi kısa olduğunda yüzücü, komşularının arasında yerinde takırdamaya başlar ve asla etrafında oluşturdukları kafesten kaçacak kadar uzun süre itmez. Bu tıkırtı, camı güçlendiren ve kesme bandı ağını oluşturan şeydir. Aynı yüzücü, bir yönde hareket edecek kadar uzun süre verildiğinde kafesinden kaçabilir, bu da camın deforme olmasını ve akmaya daha yatkın olmasını sağlar.

Neden önemli ve bundan sonra nerede olacak?

Bu çalışma, aktif doping yoluyla ek bir dahili zaman çizelgesi sunarak ve ayarlayarak başarısızlık mekanizmasını kontrol etmek için hazırlıktan bağımsız bir yol oluşturur. Aynı zamanda aktif madde ile düzensiz katıların mekaniği arasında giderek büyüyen kavramsal köprüyü de derinleştiriyor.

Şimdilik çalışma hesaplamaya dayalı olduğundan bir sonraki adım bu tahminleri laboratuvar tezgahında test etmektir. Işıkla değiştirilebilir aktif parçacıklarla katkılanmış yoğun kolloidal sistemler umut verici bir test ortamıdır, ancak günümüzde mevcut deney yolları büyük ölçüde yoğun katı camlardan ziyade jeller ve koloidal süspansiyonlarla sınırlı kalmaktadır. Laboratuvarın ötesinde, canlı dokuların sürekli olarak dış kuvvetleri deneyimlediği ve iç aktivitelerini bunlara dayanacak şekilde ayarlayabildiği biyolojik ufuk bulunur. Burada oluşturulan telafi edici tablonun bu tür sistemleri de kapsayıp kapsamadığı açık bir soru olarak kalıyor.