Yumuşak titreşimler, granüler kristaller ortaya çıkmadan önce uyarı işaretlerini ortaya çıkarır

Kum, tozlar ve görünür büyüklükteki diğer tanecik koleksiyonları, gıda ve ilaçlardan toprak ve endüstriyel malzemelere kadar günlük yaşam boyunca bulunur. Benzer büyüklükteki taneler düzenli olarak düzenlendiğinde kristal benzeri güçlü bir katı oluşturabilirler. Ancak bu kadar düzenli bir yapının içinde, kırılmaya başlamadan hemen önce neler olduğu belirsizliğini koruyor.

Osaka Üniversitesi, Shimane Üniversitesi ve Kyoto Sangyo Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, düzenli olarak düzenlenmiş taneciklerden oluşan bir kristalin ortaya çıkmasından hemen önce ortaya çıkan alışılmadık bir titreşim modelini teorik olarak belirlediler. Birçok titreşim modu belirli yönlerde eşzamanlı olarak yumuşarken, uzun dalga boyundaki dalgalar kısa olanlara göre daha yavaş hareket eder. Bulgular, şu adreste yayınlandı: Fiziksel İnceleme Eyüksek derecede düzenli parçacıklı malzemelerdeki başarısızlığın olası bir fiziksel öncüsünü ortaya çıkarır.

Akmaya yakın titreşimleri izleme

Ekip, parçacıkların üçgen bir kristal halinde düzenlendiği ve bir kart destesinin üst kısmının yana doğru kaydırılmasına benzer şekilde yavaşça kesildiği iki boyutlu bir model üzerinde çalıştı. Araştırmacılar, kristalin düzenli yapısından yararlanarak, deformasyonun geri döndürülemez hale geldiği nokta olan akmaya yaklaşırken titreşim modlarını matematiksel olarak analiz ettiler.

Kaymadan önce, sıradan bir katıdan beklendiği gibi, uzun dalga boylarına karşılık gelen düşük frekanslı titreşimler, dalga sayısı uzayının merkezine yakın bir yerde yoğunlaşıyordu. Bununla birlikte, akmaya yakın olan yumuşak titreşimler, iki spesifik yön boyunca uzanarak dalga sayısı uzayında çapraz şekilli bir model oluşturdu. “Yumuşak”, küçük bir kuvvetin bile büyük bir titreşim tepkisine neden olabileceği anlamına gelir.

Dalgalar yumuşak yönlerde yavaşlar

Araştırmacılar ayrıca dalgaların kristalde nasıl ilerlediği konusunda da çarpıcı bir değişiklik buldular. Sıradan katılarda, yeterince uzun akustik dalgalar, dalga boyundan bağımsız olarak neredeyse aynı hızda hareket eder. Esneklikten hemen önce, yumuşak yön boyunca ilerleyen dalgalar bunun yerine ikinci dereceden bir frekans-dalga sayısı ilişkisini takip ediyordu; daha uzun, daha yumuşak dalgalar, kısa olanlara göre daha yavaş yayıldı. Düşük frekanslı titreşimlerin sayısı da geleneksel Debye yasasının öngördüğü seviyenin üzerine çıktı.

Ekip, sayısal ön faktörleri de dahil olmak üzere bu ilişkileri analitik olarak elde etti ve parçacıklar arasındaki başka bir etkileşim türünü kullanarak benzer davranışı doğruladı. Bu, davranışın genel olarak hatasız, düzenli parçacık sistemlerinde meydana gelebileceğini göstermektedir.

Şimdilik ideal bir durum

Baş yazar Fumiaki Nakai, “Parçacıklı malzemeler tanıdıktır, ancak fiziksel davranışlarının birçok yönü tam olarak anlaşılmamıştır” diyor. “Basit, düzenli bir sistem üzerinde çalışarak, bu sistemin verime nasıl yaklaştığını ayrıntılı olarak açıklayabildik. Bu çalışmanın düzensizlik, sürtünme ve enerji dağılımı gibi daha karmaşık etkileri keşfetmek için bir temel sağlayacağını umuyoruz.”

Bulgular, düzenli granüler malzemelerin ve koloidal kristallerin ne zaman ve nasıl bozulmaya başladığını anlamak ve nihayetinde tahmin etmek için bir temel sağlıyor. Bu tür bilgiler sonuçta düzenli olarak düzenlenmiş parçacıklardan yapılan malzemelerin daha güvenli ve daha güvenilir şekilde kullanılmasına ve tasarlanmasına katkıda bulunabilir. Çalışmada kusurları olmayan ideal bir kristal düşünüldüğünden, benzer uyarı işaretlerinin gerçek malzemelerde görünüp görünmediğini belirlemek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulacak.