چگونه مخلوط‌های ذرات معلق مایع، ناگهان به جامد تبدیل می‌شوند ؟

مخلوط معلق برخی از ذرات دانه‌ای در مایعات باعث می‌شود که ماده‌ی سیال در مقابل نیروی برشی (مانند حرکت سریع دست در مایع) عکس العمل‌های غیر منتظره‌ای نشان دهد. برای مثال، برخی مواد در چنین شرایطی چنان غلیظ می‌شوند که ناگهان از حالت مایع به جامد تبدیل می‌شوند. این رفتار با علم دینامیک سیالات سنتی کاملاً توجیه‌پذیر نیست. فیزیک‌پیشگانی در سیتی‌کالج نیویورک این خاصیت را مورد مطالعه قرار داده و مدلی  ساخته‌اند که جواب‌گوی بسیاری از آزمایش‌های گوناگون گذشته در این مورد است.‌

    زنجیره‌های درهم موجب غلیظ کنندگی برشی می‌شوند

شبیه‌سازی جدیدی، برگرفته از ترکیب دینامیک سیالات و دینامیک دانه‌ای، می‌تواند اطلاعات برجسته‌ای درباره قدرت غلیظ کنندگی برشی ناپیوسته - اثر شگفت انگیزی که باعث می‌شود برخی سیالات ناگهان مانند جامد رفتار کنند- فراهم کند. این مدل که توسط پژوهش ‌گرانیدر آمریکا ساخته شده، منطبق بر مشاهدات کاربردی کلیدی است، و به دانش پژوهان کمک خواهد کرد به فنون تازه‌ای بر پایۀ غلیظ کنندگی برشی دست پیدا کنند- مانند ساختن زره (ژاکت ضد گلوله) انعطاف پذیر.  مخلوط ذرات جامد بسیار ریز که در مایع پراکنده شده‌اند می‌توانند گستره‌ای از خواص را بروز دهند که فیزیک‌پژوهان نمی‌توانند به طور کامل آن را توسط دینامیک سیالات سنتی درک کنند. ویژه‌ترین خاصیت آن‌ها این است که دارای واکشسانی (ویسکوزیته) ثابتی نیستند: برخی از مخلوط‌ها زمانی که با شدت بیشتری به‌هم‌زده یا هل داده می شوند، رقیق‌تر می‌شوند، در حالی که برخی دیگر غلیظ‌تر. آلبرت اینشتین نخستین کسی بود که در 1906 تأثیر ذرات معلق را در واکشسانی ارزیابی کرد و از آن موقع تاکنون مدل‌های نظری متعددی ارائه شده‌اند. اما هیچ‌یک از این‌ها نتوانسته است غلیظ کنندگی برشی ناپیوسته(مثل جامد شدن ناگهانی مخلوط نشاسته ذرت در آب که به سادگی قابل مشاهده است( را کاملا توصیف کند.  در این پژوهش جدید، ریوهی سیتو (Ryohei Seto) و همکارانش در سیتی کالج نیویورک(City College of New York) به طبیعت اصلی یک مخلوط  دقت کردند -مخلوطی از دانه‌های جامد در محیط مایع. این مشاهده آن‌ها را بر آن داشت که گمان‌هایشان را در دینامیک سیالات و فیزیک دانه‌ای با هم ترکیب کنند. در مدل‌های دینامیک سیالات، ذرات معلق اجازه برخورد ندارند، و تمام برهم کنش‌ها با وساطت محیطِ سیال انجام می‌پذیرد. در مقابل، در فیزیک دانه‌ای، یا محیطی وجود ندارد، و یا محیط، گازی است که در برابر تماس ذرات مقاومت ناچیزی دارد. بنابراین دینامیکِ بزرگ‌مقیاسِ فیزیک دانه‌ای از برهم کنش‌های میان دانه‌ها تشکیل شده است.

زنجیره‌های نیرو

واکشسانی عمدتاً به این دلیل ایجاد می‌شود که تحت فشارهای برشی کم، در حالی که مخلوط جا به جا می‌شود، مایع می‌خواهد به سختی و با فشار خود را میان ذرات جامد جا دهد. در واقع، تماس‌های مستقیمی بین ذرات وجود دارد که واکشسانی را بیشتر می‌کند. نیروهایی که به یک ذره وارد می‌شوند گاهی مستقیماً به ذره بعدی منتقل می‌شوند؛ بدین صورت، زنجیره‌ای از ذرات ایجاد می‌شود که با هم حرکت می‌کنند. اما از آنجا که این زنجیره‌های نیرو پراکنده و کوتاه هستند، تأثیر چندانی بر رفتارِ بزرگ‌مقیاسِ مخلوط ندارند.

اما هنگامی که نیروی برشی از حدی بیشتر شود، ذرات بیشتر به سمت یکدیگر هل داده شده، تماس های مستقیم بین آن‌ها بیشتر می‌شود و این مانع از آن می‌شود که مایع با سرعت کافی بین ذرات جاری شود. این امر باعث می‌شود که زنجیره‌های بیشتری از ذرات با هم حرکت کنند و این زنجیره‌ها درازتر شوند. در نقطه خاصی، این زنجیره‌ها در یکدیگر گیر می‌کنند و به یکدیگر قفل می‌شوند و مخلوط تبدیل به جامدِ بی‌شکلی می‌شود که جاهای خالی بین ذراتِ آن را مایع پر کرده است.

در حالی که این گونه رفتارهای تراکمی در فیزیک دانه‌ای به خوبی درک شده، این مدلِ پژوهش‌گرِ نیویورکی اولین مدلی است که ابتدا از نیروهای اولیه بر روی یک ذره معلق شروع کرده و سپس عبور از حالت مایع به جامد را تشریح کرده است. سیتو می‌گوید،«ما از  فرضیه‌های اولیه‌‌ای که  فیزیک پژوهانِ دینامیک سیالات با آن آشنا هستند شروع کرده، سپس نظریه‌های تماس ذره‌ای را وارد کردیم. آنگاه مدلی را از فیزیک دانه‌ای عاریه گرفتیم تا تماس را تشریح کنیم. بنابر این کار ما بین دو جستار (فیزیک) پل زده است».

 نتایج گستره‌ای از آزمایش‌هایی که در آزمایشگاه‌های گوناگونی بدست آمده بودند، با این مدل نیز با موفقیت به دست آمد. سیتو توضیح می‌دهد که نتایجی که سابقاً به طرق مختلف تعبیر شده بودند اکنون با مدل این گروه، توجیه یگانه‌ای پیدا کرده‌اند.

هاینریک جاگِر(Heinrich Jaeger) در دانشگاه شیکاگو (University of Chicago)تحت تأثیر کار این گروه قرار گرفته است. «من نسبت به این مقاله بسیار مشتاق هستم، چرا که دو اندیشه را از دو دیدگاه مختلف ترکیب کرده است: دیدگاه دانه‌ای که از کنش‌های جامد بر جامد شروع می‌کند و سپس می پردازد به این که وقتی مایع اضافه شود، چه پیش خواهد آمد، و دیدگاه رئولوژیِ مخلوطِ معلق که از مایع شروع می‌کند و سپس می‌اندیشد به اینکه وقتی ذرات را وارد کردید، چه اتفاقی می‌افتد.»

سیتو و جاگِر هر دو اظهار می‍‌کنند که این کار، سوای جذابیت علمی، کاربردهای فنی نیز دارد. «غلیظ کنندگی برشی ناپیوسته به طور معمول در صنعت به چشم یک مشکل دیده می‌شود. اگر بخواهید این مخلوط‌های ذرات معلق غلیظ را از طریق لوله حمل کنید، و آنها ناگهان قفل کنند، این یک فاجعه بالقوه است. بنابراین بسیار مهم است بتوانیم این رفتار را به شکل مناسبی کنترل کنیم». او اضافه می‌کند که کاربردهای مطلوب دیگری نیز وجود دارند، مانند ژاکت‌های ضد ضربه انعطاف پذیر یا دیگر لباس‌های محافظ. «به هنگام تحرکِ آرام، مواد مانند مایع رفتار می‌کنند، ولی ضربه‌های ناگهانی می‌توانند غلیظ کنندگی برشی را فعال کنند، که فورا مواد را به فرم شبه جامد تبدیل می‌کند».

/ 0 نظر / 78 بازدید