Nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature Physics beschrijft de relatie tussen de individuele deeltjesrangschikking van een ongeordend materiaal en hoe het reageert op externe stressoren. Uit de studie bleek ook dat deze materialen een "geheugen" hebben dat kan worden gebruikt om te voorspellen hoe en wanneer ze zullen stromen. De studie werd geleid door Larry Galloway, een Ph.D. student in het lab van Paulo Arratia, en Xiaoguang Ma, een voormalig postdoc in het lab van Arjun Yodh, in samenwerking met onderzoekers in de labs van Douglas Jerolmack en Celia Reina.

Een ongeordend materiaal wordt willekeurig gerangschikt op deeltjesschaal, b.v. atomen of korrels, in plaats van systematisch te worden verdeeld - denk aan een hoop zand in plaats van een netjes gestapelde bakstenen muur. Onderzoekers in het Arratia-lab bestuderen deze klasse materialen als onderdeel van Penn's Materials Research Science &Engineering Center, waar een van de programma's zich richt op het begrijpen van de organisatie en proliferatie van herschikkingen op deeltjesschaal in ongeordende, amorfe materialen.

De belangrijkste vraag in dit onderzoek was of men de structuur van een ongeordend materiaal kon waarnemen en een indicatie zou kunnen hebben over hoe stabiel het is of wanneer het zou kunnen uiteenvallen. Dit staat bekend als het vloeipunt, of wanneer het materiaal "vloeit" en begint te bewegen als reactie op externe krachten. "Als je bijvoorbeeld kijkt naar de korrels van een zandkasteel en hoe ze zijn gerangschikt, kan ik je dan vertellen of de wind het om kan blazen of dat het hard moet worden getroffen om om te vallen?" zegt Arratia. "We willen weten, gewoon door te kijken naar de manier waarop de deeltjes zijn gerangschikt, of we iets kunnen zeggen over de manier waarop ze gaan stromen of dat ze überhaupt gaan stromen."

Hoewel het bekend is dat de verdeling van individuele deeltjes het vloeipunt of de stroming in ongeordende materialen beïnvloedt, was het een uitdaging om dit fenomeen te bestuderen, omdat er in het veld geen manieren zijn om wanorde in dergelijke materialen te "kwantificeren". Om deze uitdaging aan te gaan, werkten de onderzoekers samen met collega's van over de hele campus om expertise op het gebied van experimenten, theorie en simulaties te combineren.

Voor de experimenten volgen de onderzoekers individuele deeltjes bovenop een vloeistof-lucht-interface, vergelijkbaar met hoe koffiedik dat op water drijft eruit ziet, zeggen de onderzoekers. Vervolgens gebruiken ze een magnetische naald die heen en weer beweegt om een ​​schuifkracht uit te oefenen. Met dit systeem zijn de onderzoekers in staat om systematisch krachten uit te oefenen op 50.000 deeltjes, hun gedetailleerde beweging te volgen en met behulp van complexe beeldanalyse te zien of bijvoorbeeld twee aangrenzende deeltjes naast elkaar blijven nadat een schuifkracht is uitgeoefend.

Een van de uitdagingen van deze studie was het vinden van een maatstaf die kan helpen bij het karakteriseren van stoornis; om dit te doen, wendden de onderzoekers zich tot een concept dat bekend staat als overmatige entropie. Hoewel dit idee eerder is gebruikt om eenvoudige vloeistoffen te bestuderen, was de toepassing ervan in deze grotere granulaire systemen - waar temperatuur geen invloed heeft op de beweging van deeltjes - conceptueel erg nieuw, zegt Galloway. "We nemen thermodynamica en passen enkele van haar concepten toe op iets waarvan mensen over het algemeen niet denken dat thermodynamica van toepassing is", zegt hij.

Om hun experimentele resultaten te helpen verbinden met theorieën over overmatige entropie, werkte het Arratia-lab samen met collega's van de Reina-groep, die theoretische expertise hebben in niet-evenwichtsthermodynamica, evenals collega's van het Yodh-lab, die hebben geëxperimenteerd met overmatige entropieconcepten om evenwichts- en niet-evenwichtssystemen ophelderen. Bovendien deelde de groep van Jerolmack hun expertise in het bestuderen van de deeltjesstroom om de complexe experimentele resultaten te helpen verbinden met simulaties.

Een van de belangrijkste bevindingen van dit onderzoek is dat ongeordende materialen de krachten kunnen "herinneren" die erop werden uitgeoefend en dat dit geheugen kan worden gemeten door naar individuele deeltjesverdelingen te kijken. "Als je inzoomt en kijkt waar alle verschillende deeltjes zijn, kun je uitlezen welke herinneringen daarin zijn opgeslagen", zegt Galloway.

De onderzoekers ontdekten ook dat ongeordende materialen dit geheugen verliezen wanneer een spanningsdrempel wordt overschreden, wat optreedt op hetzelfde moment dat het materiaal zijn vloeigrens bereikt en begint te stromen. "Als je een beetje stress toepast, zal het materiaal het onthouden en zal het teruggaan naar de oorspronkelijke staat", zegt Arratia. "Maar als je met meer kracht begint te scheren, begint het zijn geheugen te verliezen. Dat is precies waar we zien dat het materiaal meegeeft en begint te stromen, en dat kritieke stress verband houdt met het verlies van geheugen."

Hoewel het concept van geheugen in ongeordende materialen al enige tijd bekend was, verraste de sterke correlatie die in hun resultaten werd gezien tussen deeltjesverdeling, stroming en geheugen de onderzoekers. In de toekomst zijn ze van plan voort te bouwen op dit werk door andere deeltjesgroottes en -typen te bestuderen, onderzoek dat zou kunnen helpen na te gaan hoe universeel dit concept is en hoe hun resultaten zich verhouden tot thermodynamica en overtollige entropie in het algemeen.

Arratia voegt eraan toe dat met zo'n breed scala aan systemen die werken als ongeordende materialen, van eroderende hellingen die het risico lopen modderstromen te veroorzaken tot levende organismen zoals biofilms, de mogelijke implicaties voor velden buiten de thermodynamica talrijk zijn. "Ik hoop dat dit werk iets zal worden dat we kunnen toepassen op verschillende, ongelijksoortige systemen van huid, modderstromen, biofilms en veel dingen die ongeordend zijn en ook stromen", zegt Arratia. + Verder verkennen

Studie beschrijft hoe externe krachten de herschikking van individuele deeltjes in ongeordende vaste stoffen aansturen