Una sospensione di particelle di diverse dimensioni durante gli esperimenti di shearing condotti nel laboratorio di Paulo Arratia, con frecce che indicano il "flusso" delle particelle e le traiettorie. In un nuovo studio pubblicato su Nature Physics, i ricercatori descrivono in dettaglio la relazione tra la disposizione delle singole particelle di un materiale disordinato e il modo in cui reagisce ai fattori di stress esterni. Lo studio ha anche scoperto che questi materiali hanno "memoria" che può essere utilizzata per prevedere come e quando fluiranno. Credito:laboratorio Arratia
Nuova ricerca pubblicata su Nature Physics descrive in dettaglio la relazione tra la disposizione delle singole particelle di un materiale disordinato e il modo in cui reagisce ai fattori di stress esterni. Lo studio ha anche scoperto che questi materiali hanno "memoria" che può essere utilizzata per prevedere come e quando fluiranno. Lo studio è stato condotto da Larry Galloway, un Ph.D. studente nel laboratorio di Paulo Arratia, e Xiaoguang Ma, ex postdoc nel laboratorio di Arjun Yodh, in collaborazione con i ricercatori nei laboratori di Douglas Jerolmack e Celia Reina.
Un materiale disordinato è disposto casualmente su scala di particelle, ad es. atomi o grani, invece di essere distribuiti sistematicamente, pensa a un mucchio di sabbia invece di un muro di mattoni ben impilato. I ricercatori del laboratorio Arratia stanno studiando questa classe di materiali come parte del Penn's Materials Research Science &Engineering Center, dove uno degli obiettivi del programma è comprendere l'organizzazione e la proliferazione dei riarrangiamenti su scala di particelle in materiali disordinati e amorfi.
La domanda chiave in questo studio era se si potesse osservare la struttura di un materiale disordinato e avere qualche indicazione su quanto sia stabile o quando potrebbe iniziare a rompersi. Questo è noto come punto di snervamento, o quando il materiale "scorre" e inizia a muoversi in risposta a forze esterne. "Ad esempio, se guardi i granelli di un castello di sabbia e come sono disposti, posso dirti se il vento può soffiarci sopra o se deve essere colpito duramente per cadere?" dice Arratia. "Vogliamo sapere, semplicemente osservando il modo in cui sono disposte le particelle, se possiamo dire qualcosa sul modo in cui scorreranno o se scorreranno del tutto."
Sebbene sia noto che la distribuzione delle singole particelle influenza il punto di snervamento, o il flusso, in materiali disordinati, è stato difficile studiare questo fenomeno poiché il campo non dispone di modi per "quantificare" il disordine in tali materiali. Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno collaborato con colleghi di tutto il campus per combinare competenze nei campi della sperimentazione, della teoria e delle simulazioni.
Per gli esperimenti, i ricercatori tracciano le singole particelle sopra un'interfaccia liquido-aria simile a come appaiono i fondi di caffè che galleggiano sull'acqua, affermano i ricercatori. Quindi, usano un ago magnetico che si muove avanti e indietro per applicare una forza di taglio. Con questo sistema, i ricercatori sono in grado di applicare sistematicamente forze a 50.000 particelle, tracciare il loro movimento dettagliato e utilizzare analisi complesse delle immagini per vedere se, ad esempio, due particelle vicine rimangono l'una accanto all'altra dopo l'applicazione di una forza di taglio.
Dati generati durante gli esperimenti di taglio in sospensione di particelle, con ciascun colore di particella codificato per mostrare differenze nelle proprietà note come ordine locale e direttore del reticolo e cerchi che indicano riarrangiamenti delle particelle. Credito:laboratorio Arratia
Una delle sfide di questo studio era trovare una metrica che potesse aiutare a caratterizzare il disturbo; per fare ciò, i ricercatori si sono rivolti a un concetto noto come eccesso di entropia. Sebbene questa idea sia stata utilizzata in precedenza per studiare liquidi semplici, la sua applicazione in questi sistemi granulari più grandi, in cui la temperatura non influenza il movimento delle particelle, era concettualmente molto nuova, afferma Galloway. "Stiamo prendendo la termodinamica e applicando alcuni dei suoi concetti a qualcosa a cui le persone generalmente non pensano che la termodinamica si applichi", afferma.
Per aiutare a collegare i loro risultati sperimentali alle teorie dell'eccesso di entropia, il laboratorio di Arratia ha lavorato con i colleghi del gruppo Reina, che hanno competenze teoriche nella termodinamica del non equilibrio, nonché con i colleghi del laboratorio di Yodh, che hanno sperimentato concetti di eccesso di entropia per chiarire i sistemi di equilibrio e di non equilibrio. Inoltre, il gruppo di Jerolmack ha condiviso la propria esperienza nello studio del flusso di particelle per aiutare a collegare i complessi risultati sperimentali con le simulazioni.
Uno dei risultati più significativi di questo studio è che i materiali disordinati possono "ricordare" le forze che sono state applicate su di essi e che questa memoria può essere misurata osservando le singole distribuzioni delle particelle. "Se ingrandisci e guardi dove si trovano tutte le diverse particelle, puoi leggere quali ricordi sono archiviati lì", afferma Galloway.
I ricercatori hanno anche scoperto che i materiali disordinati perdono questa memoria quando viene superata una soglia di stress, che si verifica nello stesso momento in cui il materiale raggiunge il suo punto di snervamento e inizia a fluire. "Se applichi un po' di stress, il materiale si ricorderà e tornerà allo stato originale", afferma Arratia. "Ma se inizi a tagliare con più forza, inizia a perdere la memoria. È proprio lì che scopriamo che il materiale cede e inizia a fluire, e che lo stress critico è correlato alla perdita di memoria."
Sebbene il concetto di memoria nei materiali disordinati fosse noto da tempo, la forte correlazione osservata nei loro risultati tra distribuzione delle particelle, flusso e memoria ha sorpreso i ricercatori. Andando avanti, stanno pianificando di basarsi su questo lavoro studiando altre dimensioni e tipi di particelle, ricerche che potrebbero aiutare ad affrontare l'universalità di questo concetto e il modo in cui i loro risultati si riferiscono alla termodinamica e all'eccesso di entropia in modo più ampio.
Arratia aggiunge che con una gamma così ampia di sistemi che agiscono come materiali disordinati, dall'erosione dei pendii a rischio di smottamenti agli organismi viventi come i biofilm, le possibili implicazioni per i campi al di là della termodinamica sono numerose. "Spero che questo lavoro diventi qualcosa che possiamo applicare a sistemi diversi e disparati da pelle, colate di fango, biofilm e molte cose che sono disordinate e che scorrono anche", afferma Arratia. + Esplora ulteriormente
