Wetenschap
Studie werpt licht op de oorsprong van elasticiteit in brillen en gels
Brillen en gels zijn twee verschillende soorten vaste materialen die vaak in een breed scala aan omgevingen worden gebruikt. Ondanks hun duidelijk verschillende samenstellingen hebben deze afzonderlijke materialen een aantal vergelijkbare eigenschappen gemeen. Ze vertonen bijvoorbeeld stijfheid zonder een translationele orde en een langzame transformatie in de loop van de tijd.
Onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben onlangs geprobeerd de verschillen tussen brillen en gels beter te begrijpen, waarbij ze zich specifiek richtten op hun elastische eigenschappen. Hun artikel, gepubliceerd in Nature Physics , werpt licht op de oorsprong en evolutie van de elasticiteit in deze twee klassen van amorfe vaste stoffen.
"Ons onderzoek begon met het observeren van de unieke mechanische veranderingen in colloïdale gels tijdens veroudering", vertelde Hajime Tanaka, senior auteur van het artikel, aan Phys.org. "Hoewel glazen en gels vergelijkbare kenmerken hebben als amorfe vaste stoffen – zoals stijfheid zonder orde en vertragende dynamiek tijdens veroudering – hebben we iets onverwachts ontdekt.
"Terwijl we bestudeerden hoe de elastische modulus van colloïdale gels in de loop van de tijd verandert, ontdekten we een verrassende trend:in plaats van na verloop van tijd stijver te worden, zoals bij een bril, werden de gels na een langere verouderingsperiode juist zachter - ongeveer twee maanden voor colloïdale deeltjes van 2 μm." /P>
In hun eerdere onderzoek verzamelden Tanaka en zijn medewerkers bevindingen die de bestaande opvattingen over hoe amorfe vaste stoffen in de loop van de tijd evolueren, ter discussie stellen. Uit hun onderzoeken bleek met name dat de verouderingsdynamiek in dit soort vaste stoffen niet altijd leidt tot een toename van de stijfheid.
"Deze onverwachte bevinding maakte ons nieuwsgierig naar de verschillen tussen brillen en gels en wat de oorzaak daarvan is", legt Tanaka uit. "Ons onderzoek was er dus op gericht om de unieke elastische eigenschappen van glazen en gels bloot te leggen en de redenen daarachter te begrijpen. We wilden ook leren hoe de relatie tussen structuur en dynamiek de mechanische eigenschappen van amorfe vaste stoffen beïnvloedt."
Om de elastische eigenschappen van colloïdale glazen en gels te bestuderen, voerden de onderzoekers driedimensionale (3D) Langevin-dynamieksimulaties uit. Dankzij deze simulaties konden ze zowel colloïdale glazen modelleren die worden gekenmerkt door afstotende deeltjes als colloïdale gels met aantrekkelijke deeltjes.
"We hebben het verouderingsproces van beide systemen bestudeerd door ze snel over te brengen van een evenwichtstoestand naar een toestand die niet in evenwicht is", zegt Yinqiao Wang, eerste auteur van het artikel. "Om experimentele omstandigheden na te bootsen, hebben we eerst deeltjes in beide systemen in vloeibare toestand laten equilibreren. Vervolgens hebben we de pakkingsfractie snel verhoogd tot voorbij de glasovergangsdrempel om colloïdale glazen te vormen. Omgekeerd hebben we voor colloïdale gels de temperatuur snel verlaagd tot ver onder de grens van de glasovergang. de ontmengtemperatuur van gas en vloeistof."
Terwijl ze het verouderingsproces van de twee gemodelleerde systemen observeerden, hielden de onderzoekers nauwlettend de evolutie van hun elasticiteit in de gaten, waarbij ze ook rekening hielden met thermische fluctuaties. Dit werd gedaan met behulp van oscillerende vervormingen met kleine amplitude of door de Hessische matrix rechtstreeks op te lossen.
"Tegelijkertijd analyseerden we veranderingen in de vibratiedynamiek en -structuur, inclusief oriëntatievolgordeparameters en Voronoi-anisotropie in glazen, evenals connectiviteiten op deeltjes- en netwerkschalen in gels", legde Tanaka uit. "Onze resultaten benadrukken het ingewikkelde samenspel tussen structuur, dynamiek (thermische fluctuaties) en elastische eigenschappen in systemen die niet in evenwicht zijn, waarbij de nadruk ligt op twee typische amorfe vaste stoffen:colloïdale glazen en gels,"
Tanaka en zijn collega's ontdekten dat glazen en gels weliswaar enkele vergelijkbare eigenschappen hebben als amorfe vaste stoffen die niet in evenwicht zijn, maar dat hun elastische eigenschappen aanzienlijk verschillen. Hun artikel licht ook enkele van de unieke mechanismen toe die ten grondslag liggen aan het respectievelijke gedrag van deze twee soorten systemen.
"Ons werk biedt niet alleen waardevolle inzichten in de fundamentele niet-evenwichtsfysica, maar heeft ook aanzienlijke implicaties voor de materiaalkunde", zei Tanaka. "Het biedt een fysieke basis om onderscheid te maken tussen brillen en gels, vooral in uitdagende scenario's zoals niet-ergodische toestanden van Laponite-suspensies."
Het recente werk van dit onderzoeksteam draagt bij aan het begrip van de fysieke processen die ten grondslag liggen aan de elasticiteit in colloïdale glazen en gels. Het nieuwe inzicht dat het biedt, zou binnenkort het ontwerp en de productie van amorfe vaste stoffen met gewenste elastische eigenschappen kunnen beïnvloeden.
"In ons toekomstige onderzoek zullen we uitgebreid de mechanische eigenschappen van amorfe vaste stoffen onderzoeken, waaronder korrelige materialen, afstotende/aantrekkelijke glazen en gels", voegde Tanaka eraan toe. "We streven ernaar ons begrip van deze complexe ongeordende systemen te verdiepen door middel van systematische verkenning, met als doel hun onderliggende mechanismen en implicaties voor verschillende materiële systemen te ontrafelen."