Bir cam şişe ketçapın dibine çarpmak, hayatın küçük sıkıntılarından biridir. Katı fazından bir sıvıya bu kadar tatlı, kırmızı karışım elde etmek, aç olduğunuzda çok uzun sürer ve hatta tereyağı bıçağı ile dağınık stratejiler gerektirebilir.
Şimdi bir bilim insanı ekibi, bir sıvıya katı geçişlerin sadece katı fazın özelliklerinden tahmin edilebileceğini belirlemenin gösterilmiştir. Araştırma şurada yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları.
Yeni çalışma, katı benzeri bir malzemenin sıvı gibi davranmaya başladığı bir fenomen olan verime odaklanıyor. ABD’deki Rhode Island Üniversitesi Ryan Poling-Skutvik, “Bu davranış, kaşıkınıza sorunsuz bir şekilde akan muhallebi gibi tatlılardan, tüplerden kolayca sıkılmış, ancak şekillerini diş fırçanızda tutan diş macunu gibi kişisel bakım ürünlerine kadar gerçekleşir.” Dedi.
Bu tür maddeler yeterli stres indüklendiğinde bir değişiklik geçirir; Değişim noktasına “verim geçişi” denir ve maddeye “verim gerilimi sıvısı” denir.
Polis-Skutvik, “Ancak, sıvıların bir nozülden akması ve bittiğinde katılaştığı 3D baskıyı barındırarak dokuların nasıl büyüdüğünü kontrol etmek için daha karmaşık uygulamalarda da görülüyor.”
“Bu fenomen ile günlük olarak ilgilenmemize rağmen, bilim adamları verim fenomenini bir asırdan fazla bir süredir malzeme özellikleriyle ilişkilendirmek için mücadele ettiler. Çalışmamız, bu geçişin-en azından kısmen-malzemenin ne kadar sağlam olduğu ile anlaşılabileceğini gösteriyor.”
Verim stres sıvıları (YSF’ler) genellikle strese karmaşık, doğrusal olmayan bir yanıta sahiptir. Verim geçişinin altında, viskoelastik bir katı gibi geri kazanılabilir bir şekilde deforme olurlar, ancak üstünde geçiş kesin ve yeniden kapanamazdır.
Her ne kadar bu tür “plastik akış” ın ilk çalışması 111 yıl önce yayınlanmış olsa da, fiziksel değişimin kesin mekanizmaları şimdiye kadar çok az anlaşılmamıştır, çünkü verim tanımlamak ve tanımlamak, birden fazla protokol yerinde yerleşmiştir. Ancak verimi tanımlamak için yaygın olarak kullanılan bir protokol, değişen genliklerde malzemeye sinüzoidal gerilmelerin ve suşların uygulandığı “büyük genlik salınım makası” dir.
Malzemenin iki önemli şekilde periyodik bir yanıta sahiptir: “depolama modülü”, döngü başına depolanan ortalama enerji ve “kayıp modülü” ile orantılı, iç sürtünme nedeniyle döngü başına dağılan ortalama enerji ile orantılı.
Birçok YSF’de, kayıp modülünde bir aşma büyük genliklerde meydana gelir ve bu tür doğrusal olmayanlık, yeniden kapsili olmayan suş nedeniyle verim geçişini işaretler. Bu noktada, kayıp modülü maksimumdur.
Poling-Skutvik ve ekibi önce su ve alkol dekanol karışımına dağıtılmış bir polimerden yapılmış bir YSF jeli kullandı. Yoğunluğu, ölçümler boyunca değiştirilen polimer konsantrasyonuna bağlıydı.
Deneysel cihazları iki paralel plakadan oluşuyordu ve jel, verim geçişine neden olana kadar plakalardan birini farklı frekanslar ve genliklerdeki döndürerek aralarında çalkalandı.
Jele (stres) ve deformasyonlarına (suş) uygulanan kuvvetleri ölçerek, depolama ve kayıp modüllerini hesaplayabildiler. Modüllerin birim alan başına kuvvet birimleri vardır, ancak “kayıp teğet” olarak adlandırılan oranları, boyutu olmayan saf bir sayıdır; Maddenin sıvı olarak nasıl performans gösterdiğine katı olarak gerçekleştirdiği dereceyi yansıtır.
Ayrıca, polimer bağlantılı emülsiyonlar (bir örnek ksantan sakız gibi bir polimer ile stabilize edilmiş mayonez), jelatin gibi kolloidal jeller ve fibriler ağlar gibi aynı ölçümleri hayvan dükkânlarında hücre dışı matris gibi gerçekleştirdiler.
Kayıp modüllerinin yüksekliğini, kayıp teğetine karşı çizerek ve analiz ederek, birçok YSF için ortak bir özelliğe sahip olduğunu fark ettiler: aşma, test edilen YSF’lerin tüm bileşimlerinin sıvısı için aynı şekilde kayıp teğetine bağlıydı.
Bu şaşırtıcıydı, çünkü madde katı benzeri olduğunda kayıp teğet belirlenirken, aşma bir sıvıya verim geçişinde meydana gelir.
Bu yeni bilgi ile, Rhode Island Üniversitesi’nden baş yazar Daniel P. Keane ile birlikte, fiziği analitik olarak birkaç yıl önce geliştirilen bir model kullanarak, verim geçişinin özelliklerinin çoğunu doğru bir şekilde modelleyebilen KDR modeli olarak modelledi.
Hem sayısal olarak hem de modeli yaklaşık olarak çözerek, kayıp teğetinin bir fonksiyonu olarak evrensel geçiş yüksekliğinin KDR modeli tarafından iyi bir şekilde açıklandığını gösterebildiler.
Poling-Skutvik, “Sonuçlarımız, verim geçişinin kendisi hakkındaki daha karmaşık soruyu doğrudan ele almak zorunda kalmak yerine yeni malzemelerin tasarımını dinlenmedeki özelliklerine odaklanmak için basitleştirmeye yardımcı olabilir.”
Çalışmaları, diş macunundan pil üretiminde kullanılan kolloidal bulamaçlara kadar gıda bilimleri ve endüstriyel üretimdeki birçok maddeye uygulamaya sahiptir.
