Riassunto:
L'inceppamento, l'incapacità di un materiale di fluire, è un fenomeno onnipresente nei sistemi di materia soffice, inclusi materiali granulari, colloidi e tessuti biologici. Comprendere e prevenire gli inceppamenti è fondamentale per varie applicazioni, come il flusso di prodotti farmaceutici e cosmetici, la lavorazione degli alimenti e la progettazione di materiali robotici morbidi. Nonostante le ricerche approfondite, manca ancora un quadro teorico completo in grado di prevedere i disturbi e guidare le strategie per evitarli. Qui sviluppiamo un modello teorico che cattura i meccanismi microscopici responsabili dell’inceppamento nei materiali fluidi. Il nostro modello rivela che l’inceppamento si verifica quando la microstruttura del materiale sviluppa reti rigide e interconnesse che impediscono alle particelle di fluire l’una accanto all’altra. Identifichiamo i parametri chiave che controllano la formazione di queste reti e ricaviamo espressioni analitiche per la probabilità di disturbo in funzione di questi parametri. Il nostro modello fornisce un potente strumento per comprendere e prevedere i disturbi in un’ampia gamma di sistemi di materia soffice e per progettare strategie per evitare disturbi, come l’ottimizzazione della forma delle particelle, il controllo delle interazioni delle particelle e l’applicazione di campi esterni.
Introduzione:
Il jamming è un fenomeno in cui un materiale fluido subisce una transizione da uno stato fluido a uno stato solido, dove il materiale diventa incapace di scorrere. Questa transizione è spesso accompagnata da un drammatico aumento della viscosità e dell'elasticità del materiale, che ne rende difficile o impossibile la manipolazione o la lavorazione. L'inceppamento è comunemente osservato in un'ampia gamma di sistemi di materia soffice, inclusi materiali granulari, colloidi e tessuti biologici. Comprendere e prevenire gli inceppamenti è fondamentale per varie applicazioni, come il flusso di prodotti farmaceutici e cosmetici, la lavorazione degli alimenti e la progettazione di materiali robotici morbidi.
Modello teorico:
Il nostro modello teorico si basa sul concetto di volume libero, che è lo spazio a disposizione delle particelle per muoversi all'interno di un materiale. L'inceppamento si verifica quando il volume libero diventa troppo piccolo per consentire alle particelle di riorganizzarsi e fluire l'una accanto all'altra. Calcoliamo il volume libero considerando il volume escluso delle particelle e le interazioni tra loro. Mostriamo che il volume libero dipende dalla forma delle particelle, dalle interazioni delle particelle e dai campi esterni applicati al materiale.
Probabilità di disturbo:
Sulla base del nostro calcolo del volume libero, ricaviamo espressioni analitiche per la probabilità di inceppamento in funzione dei parametri chiave che controllano la formazione di reti rigide e interconnesse. Questi parametri includono la frazione volumetrica delle particelle, la forma delle particelle, le interazioni interparticellari e i campi esterni. Il nostro modello prevede che la probabilità di inceppamento aumenta con l’aumento della frazione volumetrica delle particelle, della forma non sferica delle particelle, delle interazioni attraenti tra le particelle e dell’assenza di campi esterni.
Strategie per evitare inceppamenti:
Il nostro modello fornisce informazioni su come evitare inceppamenti nei materiali fluidi. Manipolando i parametri chiave che controllano gli inceppamenti, è possibile progettare materiali che abbiano meno probabilità di incepparsi o sviluppare strategie per prevenire inceppamenti nei materiali esistenti. Ad esempio, è possibile utilizzare particelle con proporzioni elevate o applicare campi esterni per ridurre la probabilità di disturbo.
Conclusione:
In conclusione, abbiamo sviluppato un modello teorico per comprendere l'inceppamento nei materiali fluidi. Il nostro modello rivela i meccanismi microscopici responsabili del jamming e fornisce espressioni analitiche per la probabilità di jamming in funzione di parametri chiave. Questo modello offre un potente strumento per prevedere gli inceppamenti in un’ampia gamma di sistemi di materia soffice e per progettare strategie per evitarli, con importanti implicazioni per varie applicazioni nell’industria e nella tecnologia.
