Jaren van nauwgezet experimenteren hebben hun vruchten afgeworpen voor onderzoekers die ernaar streven de fysica te verenigen die materialen definieert die overgaan van vaste stoffen naar vloeistoffen. De onderzoekers zeiden dat een nieuw theoretisch model zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van nieuwe synthetische materialen en het informeren en voorspellen van civieltechnische en milieu-uitdagingen zoals modderstromen, dambreuken en lawines.

De studie, onder leiding van de University of Illinois Urbana-Champaign, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, Simon Rogers, onthult een uniforme wiskundige uitdrukking die definieert hoe zachte maar stijve materialen overgaan van een vaste naar een vloeistofstroom wanneer ze hun specifieke stressdrempel overschrijden. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het gedrag van vloeispanningsvloeistoffen is traditioneel gedefinieerd door te proberen de fysica van twee verschillende soorten materialen te combineren:vaste stoffen en vloeistoffen, " zei hoofdauteur Krutarth Kamani, een afgestudeerde student chemische en biomoleculaire engineering in Illinois. "Maar nu, we hebben aangetoond dat deze fysieke toestanden - vast en vloeibaar - samen in hetzelfde materiaal kunnen bestaan, en we kunnen het verklaren met één wiskundige uitdrukking."

Om dit model te ontwikkelen, het team voerde talloze onderzoeken uit waarbij een verscheidenheid aan verschillende zachte materialen aan stress werd onderworpen, terwijl de individuele vaste en vloeistofachtige spanningsreacties werden gemeten met behulp van een apparaat dat een rheometer wordt genoemd.

"We waren in staat om het gedrag van een materiaal te observeren en een continue overgang te zien tussen de vaste en vloeibare toestand, " zei Rogers, die ook een filiaal is aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de U. of I. "De traditionele modellen beschrijven allemaal een abrupte verandering in gedrag van vast naar vloeibaar, maar we waren in staat om twee verschillende gedragingen op te lossen die energiedissipatie weerspiegelen via vaste en vloeibare mechanismen."

De studie meldt dat deze ontwikkeling onderzoekers een eenvoudig model geeft om mee te werken, waardoor het gemakkelijker wordt om grootschalige berekeningen te maken, zoals die nodig zijn om catastrofale gebeurtenissen zoals modderstromen en lawines te modelleren en te voorspellen.

"De bestaande modellen zijn rekenkundig duur, en onderzoekers moeten worstelen met de cijfers om de berekeningen zo nauwkeurig mogelijk te krijgen, Rogers zei. "Ons model is eenvoudig en nauwkeuriger, en we hebben dat aangetoond door middel van vele proof-of-concept-experimenten."

De onderzoekers zeiden dat complexe studies over opbrengst-stress van vloeistoffen een hot topic zijn voor diegenen die geofysische stromingen onderzoeken. afvalsanering en industriële processen zoals de ontwikkeling van nieuwe materialen, 3D-printen en het minimaliseren van afvaltransportkosten. "Ons model definieert een basisvoorbeeld van vast-naar-vloeibaar gedrag, maar ik denk dat het voor onderzoekers als een startpunt zal dienen om aanzienlijke vooruitgang te boeken bij het definiëren van de meer complexe vloeistoffenomenen van opbrengst-stress."