Anni di meticolosa sperimentazione hanno ripagato i ricercatori che mirano a unificare la fisica che definisce i materiali che passano dai solidi ai liquidi. I ricercatori hanno affermato che un nuovo modello teorico potrebbe aiutare a sviluppare nuovi materiali sintetici e informare e prevedere l'ingegneria civile e le sfide ambientali come le colate di fango, rotture di dighe e valanghe.

Lo studio, guidato dal professore di ingegneria chimica e biomolecolare dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign Simon Rogers, svela un'espressione matematica unificata che definisce il modo in cui i materiali morbidi ma rigidi passano da un flusso solido a uno liquido quando superano la loro soglia di stress specifica. I risultati sono pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"Il comportamento dei fluidi a carico di snervamento è stato tradizionalmente definito cercando di combinare la fisica di due diversi tipi di materiali:solidi e liquidi, " ha detto l'autore principale Krutarth Kamani, uno studente laureato in ingegneria chimica e biomolecolare all'Illinois. "Ma ora, abbiamo dimostrato che questi stati fisici, solido e liquido, possono coesistere nello stesso materiale, e possiamo spiegarlo usando un'espressione matematica."

Per sviluppare questo modello, il team ha eseguito numerosi studi che hanno sottoposto a stress una varietà di diversi materiali morbidi misurando le singole risposte di deformazione di tipo solido e liquido utilizzando un dispositivo chiamato reometro.

"Siamo stati in grado di osservare il comportamento di un materiale e vedere una transizione continua tra lo stato solido e quello liquido, " ha detto Rogers, che è anche affiliato al Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'U. of I. "I modelli tradizionali descrivono tutti un brusco cambiamento nel comportamento da solido a liquido, ma siamo stati in grado di risolvere due comportamenti distinti che riflettono la dissipazione di energia tramite meccanismi solidi e fluidi".

Lo studio riporta che questo sviluppo offre ai ricercatori un modello semplice con cui lavorare, rendendo più facile eseguire calcoli su larga scala come quelli necessari per modellare e prevedere eventi catastrofici come frane e valanghe.

"I modelli esistenti sono computazionalmente costosi, e i ricercatori devono lottare con i numeri per ottenere che i calcoli siano il più precisi possibile, " ha detto Rogers. "Il nostro modello è semplice e più accurato, e lo abbiamo dimostrato attraverso molti esperimenti di proof-of-concept."

I ricercatori hanno affermato che i complessi studi sullo stress da rendimento dei fluidi sono un argomento caldo per coloro che studiano i flussi geofisici, bonifica dei rifiuti e processi industriali come lo sviluppo di nuovi materiali, La stampa 3D e la minimizzazione dei costi di trasporto dei rifiuti. "Il nostro modello definisce un esempio di base di comportamento solido-liquido, ma penso che servirà come punto di partenza per i ricercatori per fare progressi significativi nella definizione dei più complessi fenomeni dei fluidi di stress di resa".