Onderzoekers van de Universiteit van Tokyo melden dat structurele entropie met twee lichamen de sleutel is om de dynamiek van onderkoelde vloeistoffen te begrijpen en ook het mechanisme achter het fenomeen van afschuifverdunning.

Onderkoelde vloeistoffen

Vloeistoffen zijn de minst begrepen toestand van materie. Intermediair tussen gassen en vaste stoffen, hun gedrag is een onvoorspelbare mengeling van beide. Bijzonder ongebruikelijk zijn glasvormende vloeistoffen, die kunnen worden afgekoeld tot onder het vriespunt zonder te kristalliseren. Dergelijke onderkoelde vloeistoffen worden viskeus met een daling van de temperatuur, en worden uiteindelijk glasachtige vaste stoffen (glazen) onder de glasovergangstemperatuur. Dit vriendelijke gedrag zien we bij het glasblazen.

Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd in PNAS , twee onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen (IIS) van de Universiteit van Tokyo hebben nieuwe inzichten onthuld in het gedrag van onderkoelde vloeistoffen die via afschuiving laten stromen.

Geschoren onderkoelde vloeistoffen

aanvankelijk, als een onderkoelde vloeistof wordt gemaakt om te stromen door te scheren ("trekken"), de viscositeit blijft onveranderd. Maar omdat de vloeistof sneller gaat stromen, de viscositeit begint verrassenderwijs af te nemen en het wordt gemakkelijker voor de vloeistof om te stromen (d.w.z. het wordt minder kleverig). Dit fenomeen wordt shear thinning genoemd, en het is een industrieel belangrijk proces, zoals wanneer twee gesmeerde oppervlakken gemakkelijk tegen elkaar schuiven. Ondanks tientallen jaren van onderzoek en grote inspanningen van vele onderzoekers, het mechanisme achter afschuifverdunning blijft onbekend.

De IIS-onderzoekers gebruikten computersimulaties van grafische kaarten (GPU) om verschillende onderkoelde vloeistoffen van computermodellen te simuleren terwijl ze door afschuiving werden laten stromen. De afgeschoven onderkoelde vloeistof stroomt niet alleen gemakkelijker; de rangschikking van de moleculen verandert ook met een verhoogde stroom (ook wel de structuur van de vloeistof genoemd). Deze feiten maken onderkoelde vloeistoffen moeilijk te beschrijven met behulp van fundamentele theorieën. De IIS-onderzoekers gebruikten in plaats daarvan entropie om afgeschoven onderkoelde vloeistofdynamica te beschrijven. Entropie is een maat voor hoe geordend een systeem is; een kristal heeft de neiging meer geordend te zijn dan een vloeistof en heeft dus een lagere entropie.

"Door de rangschikking van moleculen onder afschuiving te beschouwen, kunnen we het gedrag van onderkoelde vloeistoffen onder afschuiving verbinden met een fundamenteel concept in de natuurkunde, namelijk de entropie; of meer specifiek, de twee-lichamen structurele entropie, ", zegt co-auteur Trond S. Ingebrigtsen. "Bovendien, omdat de entropie van twee lichamen gemakkelijk in experimenten kan worden berekend, kunnen onze resultaten niet alleen worden geverifieerd door computersimulaties. Eerdere pogingen om de twee-lichamen-entropie te gebruiken, liepen op problemen als de verandering in de rangschikking van de moleculen onder afschuiving, of structurele anisotropie, geen rekening mee gehouden."

Omdat een vloeistof sneller gaat stromen onder afschuiving, de rangschikking van de moleculen moet zich aanpassen aan de nieuwe situatie, en induceren wat structurele anisotropie in de vloeistof wordt genoemd. Dit betekent dat, bijvoorbeeld, de gemeten constructie ten opzichte van de stromingsrichting blijkt anders te zijn en beïnvloedt de eigenschappen van het systeem als geheel.

"Door de entropie van twee lichamen aan te passen om rekening te houden met deze structurele veranderingen die optreden onder afschuiving, we waren in staat om de afschuifdynamiek te beschrijven met behulp van het gedrag van de vloeistof zonder afschuiving. We ontdekten dat de entropie met twee lichamen, berekend langs de zogenaamde extensionele as van de stroom, de belangrijkste grootheid was om de afschuifdynamiek te beschrijven. De entropie van twee lichamen in de andere richtingen kan veilig worden genegeerd, " zegt Ingebrigtsen. "Intuïtief, de structuur langs de extensierichting is belangrijk omdat de schuifstroom in deze richting zich opent voor meer ruimte en de moleculen gemakkelijker kunnen ontsnappen."

De computersimulaties hebben niet het volledige mechanisme achter afschuifverdunning blootgelegd, maar het ontdekken van de correlatie van afschuifdynamiek met de structurele entropie van twee lichamen verschafte nieuwe inzichten in de structurele veranderingen die relevant zijn voor het begrijpen van het fenomeen van afschuifverdunning.

"We waren erg blij dat al onze gesimuleerde modelvloeistoffen zulke duidelijke resultaten gaven, omdat ze werden gekozen om een ​​zeer breed scala aan modelvloeistoffen te bestrijken die vooral relevant zijn voor experimenten, " legt co-auteur Hajime Tanaka uit. "Nu, de uitdaging is om het microscopische mechanisme achter deze waarnemingen in meer detail te begrijpen om het mechanisme achter afschuifverdunning volledig te begrijpen. Wat dat betreft blijven we zeer positief."