Wanneer u een zacht materiaal zoals Silly Putty vervormt, zijn eigenschappen veranderen afhankelijk van hoe snel je het uitrekt en knijpt. Als je de stopverf in een klein glas laat, het zal zich uiteindelijk verspreiden als een vloeistof. Als je er langzaam aan trekt, het zal dun en hangen als stroperige taffy. En als je er snel aan trekt, de Silly Putty zal breken als een broos, stevige balk.

Wetenschappers gebruiken verschillende instrumenten om te rekken, knijpen, en draai zachte materialen om hun sterkte en elasticiteit precies te karakteriseren. Maar typisch, dergelijke experimenten worden achtereenvolgens uitgevoerd, wat tijdrovend kan zijn.

Nutsvoorzieningen, geïnspireerd door de geluidssequenties die vleermuizen en dolfijnen gebruiken bij echolocatie, MIT-ingenieurs hebben een techniek bedacht die de snelheid en nauwkeurigheid van het meten van de eigenschappen van zachte materialen enorm verbetert. De techniek kan worden gebruikt om de eigenschappen van drogend cement te testen, bloed stollen, of andere "muterende" zachte materialen als ze in de loop van de tijd veranderen. De onderzoekers rapporteren hun resultaten in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

"Deze techniek kan in veel industrieën helpen, [die niet] hun gevestigde instrumenten hoeven te veranderen om een ​​veel betere en nauwkeurigere analyse van hun processen en materialen te krijgen, " zegt Bavand Keshavarz, een postdoc bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT.

"Bijvoorbeeld, dit protocol kan worden gebruikt voor een breed scala aan zachte materialen, uit speeksel, die visco-elastisch en vezelig is, tot materialen zo stijf als cement, ", voegt afgestudeerde studente Michela Geri toe. "Ze kunnen in de loop van de tijd allemaal snel veranderen, en het is belangrijk om hun eigenschappen snel en nauwkeurig te karakteriseren."

Geri en Keshavarz zijn co-auteurs van het papier, waaronder ook Gareth McKinley, de School of Engineering Professor of Teaching Innovation en hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT; Thibaut Divoux van het gezamenlijke CNRS-MIT laboratorium; Christian Clasen van de KU Leuven in België; en Dan Curtis van de Universiteit van Swansea in Wales.

Op weg naar snellere metingen

De nieuwe techniek van de groep verbetert en verlengt het vervormingssignaal dat wordt opgevangen door een instrument dat bekend staat als een reometer. Typisch, deze instrumenten zijn ontworpen om een ​​materiaal uit te rekken en te persen, heen en weer, over kleine of grote spanningen, afhankelijk van een signaal verzonden in de vorm van een eenvoudig oscillerend profiel, die de motor van het instrument vertelt hoe snel of hoe ver het materiaal moet worden vervormd. Een hogere frequentie zorgt ervoor dat de motor in de reometer sneller werkt, het materiaal sneller scheren, terwijl een lagere frequentie deze vervorming vertraagt.

Andere instrumenten die zachte materialen testen, werken met vergelijkbare ingangssignalen. Dit kunnen systemen zijn die materialen tussen twee platen persen en draaien, of die materialen in containers roeren, met snelheden en krachten bepaald door het frequentieprofiel dat ingenieurs programmeren in de motoren van de instrumenten.

Daten, de meest nauwkeurige methode voor het testen van zachte materialen is om de tests achter elkaar uit te voeren gedurende een lange periode. Tijdens elke proef wordt een instrument kan, bijvoorbeeld, een materiaal uitrekken of afschuiven met een enkele lage frequentie, of motoroscillatie, en registreer de stijfheid en elasticiteit voordat u overschakelt naar een andere frequentie. Hoewel deze techniek nauwkeurige metingen oplevert, het kan uren duren om een ​​enkel materiaal volledig te karakteriseren.

Een rinkelend getjilp

In recente jaren, onderzoekers hebben geprobeerd het proces van het testen van zachte materialen te versnellen door het ingangssignaal van de instrumenten te veranderen en het frequentieprofiel dat naar de motoren wordt gestuurd te comprimeren.

Wetenschappers verwijzen naar deze kortere, sneller, en een complexer frequentieprofiel als een "chirp, " na de vergelijkbare structuur van frequenties die worden geproduceerd in radar- en sonarvelden - en heel breed, in sommige geluiden van vogels en vleermuizen. Het chirp-profiel versnelt een experimentele testrun aanzienlijk, waardoor een instrument in slechts 10 tot 20 seconden de eigenschappen van een materiaal kan meten over een reeks frequenties of snelheden die traditioneel ongeveer 45 minuten zouden duren.

Maar bij de analyse van deze metingen, onderzoekers vonden artefacten in de gegevens van normale chirps, bekend als beleffecten, wat betekent dat de metingen niet voldoende nauwkeurig waren:ze leken te oscilleren of te "ringen" rond de verwachte of werkelijke waarden van stijfheid en elasticiteit van een materiaal, en deze artefacten leken voort te komen uit het amplitudeprofiel van de chirp, die leek op een snelle stijging en daling van de oscillatiefrequenties van de motor.

"Dit is zoals wanneer een atleet een sprint van 100 meter maakt zonder op te warmen, ' zegt Kesjavarz.

Ger, Kesjavarz, en hun collega's probeerden het chirp-profiel te optimaliseren om deze artefacten te elimineren en daarom nauwkeurigere metingen te produceren, terwijl u zich aan dezelfde korte testperiode houdt. Ze bestudeerden vergelijkbare chirp-signalen in radar- en sonar-velden die oorspronkelijk waren gepionierd aan het MIT Lincoln Laboratory - met profielen die oorspronkelijk waren geïnspireerd door chirps geproduceerd door vogels, vleermuizen, en dolfijnen.

"Vleermuizen en dolfijnen zenden een soortgelijk chirp-signaal uit dat een reeks frequenties inkapselt, zodat ze prooien snel kunnen lokaliseren, " zegt Geri. "Ze luisteren naar wat [frequenties] bij hen terugkomen en hebben manieren ontwikkeld om dat te correleren met de afstand tot het object. En ze moeten het heel snel en nauwkeurig doen, anders zal de prooi ontsnappen."

Het team analyseerde de chirp-signalen en optimaliseerde deze profielen in computersimulaties, vervolgens bepaalde chirp-profielen toegepast op hun reometer in het laboratorium. Ze ontdekten dat het signaal dat het beleffect het meest verminderde een frequentieprofiel was dat nog steeds zo kort was als het conventionele chirp-signaal - ongeveer 14 seconden lang - maar dat geleidelijk opliep, met een soepelere overgang tussen de verschillende frequenties, vergeleken met de originele chirp-profielen die andere onderzoekers hebben gebruikt.

Ze noemen dit nieuwe testsignaal een "Optimally Windowed Chirp, " of OWCh, voor de resulterende vorm van het frequentieprofiel, die meer lijkt op een glad afgerond venster dan op een scherp, rechthoekige ramp-up en ramp-down. uiteindelijk, de nieuwe techniek beveelt een motor om een ​​materiaal uit te rekken en in een meer geleidelijke, vlotte manier.

Het team testte hun nieuwe chirp-profiel in het laboratorium op verschillende visco-elastische vloeistoffen en gels, beginnend met een laboratoriumstandaard polymeeroplossing die ze kenmerkten met behulp van de traditionele, langzamere methode, het conventionele chirp-profiel, en hun nieuwe OWCh-profiel. Ze ontdekten dat hun techniek metingen produceerde die bijna exact overeenkwamen met die van de nauwkeurige maar langzamere methode. Hun metingen waren ook 100 keer nauwkeuriger dan wat de conventionele chirp-methode produceerde.

De onderzoekers zeggen dat hun techniek kan worden toegepast op elk bestaand instrument of apparaat dat is ontworpen om zachte materialen te testen. en het zal het experimentele testproces aanzienlijk versnellen. Ze hebben ook een open-source softwarepakket geleverd dat onderzoekers en ingenieurs kunnen gebruiken om hen te helpen bij het analyseren van hun gegevens, om snel elke zachte, evoluerend materiaal, van het stollen van bloed en het drogen van cosmetica, cement te laten stollen.

"Veel materialen in de natuur en industrie, in consumentenproducten en in ons lichaam, veranderen over vrij snelle tijdschema's, " zegt Keshavarz. "Nu kunnen we de reactie van deze materialen volgen terwijl ze veranderen, over een breed frequentiebereik, en in een korte tijd."