Samenvatting:

Jamming, het onvermogen van een materiaal om te stromen, is een alomtegenwoordig fenomeen in systemen van zachte materie, waaronder korrelige materialen, colloïden en biologische weefsels. Het begrijpen en voorkomen van jamming is cruciaal voor verschillende toepassingen, zoals de stroom van farmaceutische producten en cosmetica, de verwerking van voedsel en het ontwerp van zachte robotmaterialen. Ondanks uitgebreid onderzoek ontbreekt er nog steeds een alomvattend theoretisch raamwerk dat jamming kan voorspellen en strategieën kan sturen om dit te voorkomen. Hier ontwikkelen we een theoretisch model dat de microscopische mechanismen vastlegt die verantwoordelijk zijn voor het vastlopen in vloeibare materialen. Ons model laat zien dat jamming optreedt wanneer de microstructuur van het materiaal stijve, onderling verbonden netwerken ontwikkelt die voorkomen dat de deeltjes langs elkaar heen stromen. We identificeren sleutelparameters die de vorming van deze netwerken beheersen en leiden analytische uitdrukkingen af ​​voor de storingswaarschijnlijkheid als functie van deze parameters. Ons model biedt een krachtig hulpmiddel om jamming in een breed scala aan systemen van zachte materie te begrijpen en te voorspellen en om strategieën te ontwerpen om jamming te voorkomen, zoals het optimaliseren van de deeltjesvorm, het beheersen van deeltjesinteracties en het toepassen van externe velden.

Inleiding:

Jamming is een fenomeen waarbij een vloeibaar materiaal een overgang ondergaat van een vloeiende toestand naar een vaste toestand, waarbij het materiaal niet meer kan stromen. Deze overgang gaat vaak gepaard met een dramatische toename van de viscositeit en elasticiteit van het materiaal, waardoor het moeilijk of onmogelijk wordt om het te manipuleren of te verwerken. Jamming wordt vaak waargenomen in een groot aantal systemen van zachte materie, waaronder korrelige materialen, colloïden en biologische weefsels. Het begrijpen en voorkomen van jamming is cruciaal voor verschillende toepassingen, zoals de stroom van farmaceutische producten en cosmetica, de verwerking van voedsel en het ontwerp van zachte robotmaterialen.

Theoretisch model:

Ons theoretische model is gebaseerd op het concept van vrij volume, de ruimte die beschikbaar is voor deeltjes om binnen een materiaal te bewegen. Jamming treedt op wanneer het vrije volume te klein wordt om deeltjes te laten herschikken en langs elkaar heen te laten stromen. We berekenen het vrije volume door rekening te houden met het uitgesloten volume van de deeltjes en de interacties daartussen. We laten zien dat het vrije volume afhangt van de deeltjesvorm, deeltjesinteracties en externe velden die op het materiaal worden toegepast.

Waarschuwingskans:

Op basis van onze berekening van het vrije volume leiden we analytische uitdrukkingen af ​​voor de storingswaarschijnlijkheid als functie van de sleutelparameters die de vorming van rigide, onderling verbonden netwerken beheersen. Deze parameters omvatten de deeltjesvolumefractie, deeltjesvorm, interacties tussen deeltjes en externe velden. Ons model voorspelt dat de kans op vastlopen toeneemt met de toenemende deeltjesvolumefractie, de niet-sferische deeltjesvorm, aantrekkelijke interacties tussen deeltjes en de afwezigheid van externe velden.

Strategieën om jamming te voorkomen:

Ons model biedt inzicht in hoe u vastlopen in vloeibare materialen kunt voorkomen. Door de belangrijkste parameters die het vastlopen beheersen te manipuleren, is het mogelijk materialen te ontwerpen die minder snel vastlopen of strategieën te ontwikkelen om vastlopen in bestaande materialen te voorkomen. Men kan bijvoorbeeld deeltjes met een hoge aspectverhouding gebruiken of externe velden toepassen om de kans op vastlopen te verkleinen.

Conclusie:

Concluderend hebben we een theoretisch model ontwikkeld om vastlopen in vloeibare materialen te begrijpen. Ons model onthult de microscopische mechanismen die verantwoordelijk zijn voor jamming en biedt analytische uitdrukkingen voor de jamming-waarschijnlijkheid als functie van sleutelparameters. Dit model biedt een krachtig hulpmiddel om jamming in een breed scala aan zachte materiesystemen te voorspellen en om strategieën te ontwerpen om jamming te voorkomen, wat belangrijke implicaties heeft voor verschillende toepassingen in de industrie en technologie.