Одной из важнейших задач современной науки является создание материалов, химические и/или физические свойства которых будут легко поддаваться настройке в зависимости от выбранных для них целей применения. Особый интерес вызывают гранулированные материалы, такие как песок. В зависимости от различных факторов гранулированные материалы обладают множеством интересных свойств. Ученые из Амстердамского университета (Нидерланды) разработали новый тип гранулированных материалов, свойства текучести и сжимаемости которых легко поддаются настройке. Из чего сделаны эти гранулы, какими именно свойствами они обладают, и где могут быть применены на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Механические метаматериалы представляют собой тщательно спроектированные конструкции, обладающие настраиваемыми свойствами, превосходящими свойства их составляющих. Важно отметить, что эти метаматериалы представляют собой твердые тела с четко определенной базовой конфигурацией. Напротив, гранулированные материалы не поддаются настройке и не имеют четко определенной базовой конфигурации. Вместо этого их свойства застревания* и текучести* полностью контролируются физикой контакта и трения.
Застревание* — физический процесс, при котором вязкость некоторых мезоскопических материалов, таких как гранулированные материалы, стекла, пены, полимеры, эмульсии и другие сложные жидкости, увеличивается с увеличением плотности частиц.
Текучесть* — свойство пластичных металлов и тел при постепенном увеличении давления уступать действию сдвигающих сил и течь подобно вязким жидкостям.
В области изучения гранулированных метаматериалов и метажидкостей ученые всячески пытаются сделать их механические свойства настраиваемыми. Для этого разрабатываются гранулы с анизотропной формой, невыпуклой формой, разной гибкостью, запутанностью, а также мультистабильностью.
В частности, были созданы гранулированные метаматериалы сложной формы, которые улучшают сцепление и обладают дополнительной механической стабильностью. Тем не менее во многих случаях гранулированные материалы должны течь. Таким образом, вместо того, чтобы усиливать трение и способствовать застреванию, важной целью, которая раньше не была достигнута, является создание гранулированных метаматериалов, которые могут легче течь.
Дабы решить эту задачу авторы рассматриваемого нами сегодня труда обратились за вдохновением к гибким метаматериалам, в которых используются гибкие композиты, позволяющие изменять форму и превосходные демпфирующие характеристики. Самыми простыми гибкими метаматериалами, возможно, являются те, которые демонстрируют отрицательный коэффициент Пуассона* за счет использования внутреннего противовращения внутри своей массы. Следовательно, возникает важный вопрос: каковы упругие и текучие свойства гранулированного метаматериала, составляющие зерна которого имеют отрицательный коэффициент Пуассона?
Коэффициент Пуассона* — величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению.
Изображение №1
Разработанная конструкция использует возвратный механизм, который приводит к уменьшению радиуса диска по мере сжатия зерна (1A, 1B и видео №1). Ученые сравнили это «метазерно» с простым кольцом, которое расширяется вбок при сжатии (1C). В отличие от кольца метазерно не изотропно (1D), но механизм, используемый метазерном, состоит из одной моды деформации, что обеспечивает ауксетичность* зерна независимо от направления сжатия (1E).
Ауксетики* — материалы, имеющие отрицательные значения коэффициента Пуассона. При растяжении материалы-ауксетики становятся толще в направлении, перпендикулярном приложенной силе.
Видео №1
Далее ученые построим вычислительную модель для описания ауксетических дисков и колец. Ученые отмечают, что ауксетики при сжатии практически не меняют свою форму, а скорее уменьшают площадь (1D). Напротив, кольца принимают эллиптическую форму, сохраняя при этом свой объем примерно постоянным (1C). Поэтому в расчетах использовалась потенциальная энергия для каждого зерна с тремя основными энергетическими компонентами: энергия межчастичного отталкивания, энергия восстановления площади и энергия восстановления формы.
Каждый из них контролируется соответствующей константой жесткости k, kA и ks:
Первая компонента пропорциональна перекрытию между частицами ∆ij. Вторая компонента — это энергия изменения площади каждой частицы Ai = πaibi по отношению к начальной площади частицы A0i, где ai и bi обозначают оси эллиптической частицы. Наконец, третья компонента — это энергия, необходимая для изменения формы частицы, ei = ai — bi, учитывая исходную круглую форму (вставка на 1F).
Ученые провели квазистатическое численное моделирование без трения колец и ауксетических дисков. Моделирование проводилось в пределах малых перекрытий между частицами: (kA + ks)/k → 0. В этом пределе и при малых деформациях коэффициент Пуассона зерен определяется выражением:
ν = (kA — ks) / (kA + ks)
Таким образом, изменяя жесткость площади и формы соответственно, можно настроить коэффициент Пуассона частицы от +1 до -1, что подтверждается моделированием (1F).
Имея модель поведения отдельного зерна, ученые могли установить модель поведения нескольких зерен. Гранулированные материалы имеют больший модуль объемного сжатия и меньший модуль сдвига в начале жесткости. Однако добавление ауксетиков качественно меняет эту традиционную картину.
Изображение №2
Сначала ученые измерили реакцию ауксетических гранулированных упаковок зерен на равно-двухосное (одинаковое по двум осям) сжатие (2A, 2B и видео №2).
Видео №2
Хорошо видно, что все диски сжимаются при сжатии упаковки. Такое легкое сжатие отдельных метазерен вызывает гораздо более медленное увеличение давления по сравнению с кольцами (2C и 2D), которые, напротив, имеют тенденцию деформироваться в эллипсы, которые сопротивляются более равно-двухосному сжатию. Соответственно, доля упаковки у ауксетических зерен увеличивается медленнее, чем у колец (2E). Следовательно, повышенная сжимаемость ауксетичных зерен делает упаковку более сжимаемой.
Изображение №3
Далее ученые приступили к измерению сдвиговой реологии упаковок зерен при колебательном сдвиге в специально созданной установке (3A и видео №3) и с помощью моделирования (3B и 3C).
Видео №3
В этом режиме, когда упаковки зерен подвергаются небольшим синусоидальным колебаниям магнитудой θ = 0.1º, что эквивалентно сдвиговой деформации 0.002 (3D), они реагируют линейными колебаниями крутящего момента (3E). Следовательно, реологический отклик является линейным. Было установлено, что сдвиговый крутящий момент метазерен был в два раза ниже, чем у колец. Эта тенденция подтверждается измерениями модуля сдвига в широком диапазоне сжатия (3F и 3G): модуль сдвига увеличивается со сжатием быстрее для колец, чем для метазерен.
Ученые отмечают, что это удивительно с точки зрения двумерной изотропной континуальной упругости, где модуль объемного сжатия и сдвига определяются выражениями K = E/(2 — 2ν) и G = E/(2 + 2ν), где E — модуль Юнга. Следовательно, поскольку оба типа зерен имеют одинаковую жесткость, а метазерна имеют более низкий модуль объемного сжатия, можно ожидать, что упаковка метазерен будет демонстрировать больший модуль сдвига.
Чтобы прояснить вышесказанное, ученые построили график модуля сдвига в зависимости от всестороннего давления вместо объемной деформации (3H и 3I). Было установлено, что точки данных сходятся на основной кривой, которая сублинейно растет с ростом всестороннего давления. Это обусловлено двумя конкурирующими эффектами в геометрии упаковки и эффектом Пуассона.
С одной стороны, упаковки ауксетических зерен образуют более плотную контактную сеть при заданном давлении, что, как ожидается, приведет к увеличению модуля сдвига. Однако, с другой стороны, отрицательный коэффициент Пуассона отдельных зерен имеет тенденцию сжимать частицы. Поскольку зерна могут испытывать только силы отталкивания, усадка зерен может разорвать цепи сил* и, следовательно, вызвать снижение напряжения. Чисто отталкивающий характер сил взаимодействия между частицами принципиально отличается от обычных упругих твердых тел, допускающих в своем объеме как силы отталкивания, так и притяжения.
Цепь сил* состоит из набора частиц внутри сжатого зернистого материала, которые удерживаются вместе и закрепляются на месте сетью взаимных сжимающих сил.
Изображение №4
Далее ученые провели анализ, показавший, что та же самая конкуренция между контактной сетью и эффектом Пуассона влияет не только на упругий отклик гранулированных метаматериалов, но и на их реологию.
Ученые выполнили колебательную реологию упаковок, но на этот раз при больших деформациях θ = 100, что эквивалентно деформации сдвига 2.00 (вверху на 4A). Напряжение сдвига на этот раз стабилизируется при четко определенных значениях предела текучести только для того, чтобы резко измениться при изменении направления сдвига на противоположное (внизу на 4A). Важно отметить, что в наборе метазерен предел текучести в два раза меньше, меньше колеблется (внизу на 4A) и значительно медленнее увеличивается с усилением упаковки зерен (4B и 4C). Чтобы лучше понять, откуда взялась такая сильная разница, ученые снова построили график зависимости предела текучести от давления и обнаружили, как указано выше, что точки данных сходятся на основной кривой медленнее с усилением упаковки зерен (4D и 4E).
Видео №4
Ученые также обнаружили, что гранулированные среды имеют одинаковый макроскопический коэффициент трения τ/P, независимо от того, состоят они из ауксетичных частиц или нет. Подобно коллапсу в режиме малых деформаций (3H и 3I), это снова приписывается конкурирующим эффектам увеличения числа контактов в ауксетических упаковках в сочетании с уменьшением напряжений, вызванных ауксетичной природой зерен.
Изображение №5
Хоть реология при наложенном давлении одинакова, колебания существенно различаются. Расчеты показывают, что флуктуации силы в упаковках ауксетических зерен не только уменьшены в размерах, но и более локализованы (5A и 5B). В частности, это наблюдается при сходе лавины, т.е. происходит внезапное падение напряжения сдвига — в нем участвует меньше частиц, что измеряется обратным коэффициентом участия (5C). Кроме того, межчастичные силы зерен обычно уменьшаются меньше, чем в ауксетичных упаковках (5D). Напротив, в ауксетических упаковках наблюдаются более крупные и частые колебания доли упаковки (5E и 5F). Таким образом, ауксетические зерна, по-видимому, сильно способствуют локальному разрушению силовых цепей, быстро и сильно адаптируя свой размер.
Видео №5
Вышеописанные результаты в совокупности говорят, что коэффициент Пуассона не оказывает заметного влияния на упругость и текучесть на сдвиг при приложенном давлении, но оказывает влияние на объем. В таком случае именно повышенная сжимаемость метазерен значительно облегчает сдвиг гранулированных метаматериалов. Ауксетичность частиц также значительно снижает флуктуации силы при течении гранулированных метаматериалов.
Таким образом, гранулированные метаматериалы будут иметь наиболее выраженный эффект в ограниченной геометрии, которая предполагает сильные флуктуации. В завершение своего исследования ученые описывают три таких сценария:
- сценарий потока через сужение;
- сценарий объекта, движущегося через гранулированный материал;
- сценарий высокоскоростного объекта, воздействующего на упаковку обычных и ауксетических зерен.
Изображение №6
В первом сценарии ящик закрыт, а объект в 5.7 раз крупнее самых крупных зерен (6A), следовательно, поток ограничен, и небольшое расстояние между поверхностями объекта и зерна вызовет большие колебания. Ученые проанализировали через что объекту будет проще проходить: через метазерна, смесь метазерен и колец или через кольца (6B).
Одним из ключевых эффектов является сжатие ауксетических зерен, что уменьшает долю упаковки и, следовательно, облегчает течение. Однако, кроме того, значительно уменьшились и размеры лавин частиц (6C). Хотя она и демонстрирует большие колебания, примечательно, что смесь метазерен и колец демонстрирует почти ту же силу сопротивления, что и метазерна без колец. Это означает, что добавления доли метазерен в обычную упаковку достаточно, чтобы разорвать силовые цепи. Это подтверждается и визуальным наблюдением (6D и видео №6).
Видео №6
Во втором сценарии роль флуктуаций имеет первостепенное значение, поскольку поток частиц неожиданно прерывается из-за внезапного образования устойчивой дуги контактирующих зерен перед ее отверстием. В данном опыте размер отверстия был в 3 раза больше самых крупных зерен (6E), а давление на зерна оказывается посредством поршня.
В то время как кольца забиваются, что приводит к постоянному увеличению силы, оказываемой поршнем, как метазерна, так и смесь демонстрируют текучесть (6F).
В третьем сценарии диск (объект) массой 0.28 кг падает с высоты 44 см и ударяется об упаковку, полностью ограниченную в пространстве, за исключением отверстия, через которое входит объект (6H и 6I). Глядя на смещение (6J), можно выделить два основных различия между обеими упаковками: в ауксетичной упаковке объект летит дальше и отскакивает гораздо меньше. График скорости во время удара показывает, что коэффициент восстановления уменьшается в 2 раза в ауксетичной упаковке. Более эффективное поглощение ударов обусловлено тем, что ауксетические зерна мягче и легче растекаются, чем их обычные аналоги.
В заключение ученые добавили ауксетичность в набор инструментов гранулированных метаматериалов и показали, что гранулированные метаматериалы можно сделать более сжимаемыми, более мягкими при сдвиге и более податливыми с меньшими силовыми колебаниями.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые разработали новый тип гранулированных материалов, чьи физические свойства поддаются манипулированию.
Самым ярким примером гранулированных материалов является песок. Прогуливаясь по пляжу, песок кажется вполне плотным и твердым. Но стоит его переместить в песочные часы, мы увидим, как он течет, словно жидкость. В лабораторных условиях ученым удавалось модулировать текучесть песка, но не его сжимаемость.
Работая с метаметериалами, ученые пытаются наделить их желаемыми свойствами и соответствующими реакциями в ответ на какое-либо воздействие. К примеру, растяжение эластичной ленты должно вызывать ее утоньшение. Ранее ученым удалось создать материал, который становится тоньше при сжатии, но не при растяжении. Использовав данный труд за основу, ученые попытались настроить свойства гранулированных материалов.
Результатом их работы стали зерна (гранулы), которые сжимаются в радиальном направлении под действием внешнего давления. Это означает, что при сжатии упаковки этих зерен количество свободного пространства между зернами остается примерно одинаковым, и в результате текучесть зерен остается аналогичной жидкости. Помещая зерна в воронку, мы наблюдаем, как они формируют препятствующую дугу, но созданные зерна этого не делают, тем самым не предотвращая текучести.
Как отмечают авторы разработки, их творение может оказаться весьма полезным, например, в смягчении ударов. Во время опытов ученые запусками металлический диск в упаковку разработанных зерен. Диск замедлялся от контакта с зернами и практически не отскакивал от них. В качестве жизненного примера ученые просят представить конькобежца во время соревнований. Если он врежется в стену арены, воздействие удара будет незначительным, если внутри стен будут использованы разработанные метазерна. При этом конькобежец не «отскочит» от стены, что могло бы привести к столкновению с другими спортсменами.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
