연구에 따르면 세분화 된 재료가 어떻게 용지 걸림에서 벗어날 수 있습니까?

연구에 따르면 세분화 된 재료가 어떻게 용지 걸림에서 벗어날 수 있습니까?
Anonim

과학자들은 겉보기에는 단순한 현상의 복잡한 문제를 조사

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시카고 대학 물리학 자들은 모래 수준을 신중하게 측정하여 원자 수준에서 유리가 액체와 어떻게 다른지에 대한 오랜 의문을 해결하는데 도움을 줄 수 있다고 과학자들은 6 월 23 일 목요일 Nature 지에 발표했다 .

이미지 : 시카고 대학교 물리학과 대학원생 인 Eric Corwin (좌석)과 물리학 교수 하인리히 예거 (Hinrich Jaeger)는 입상 재료의 거동이 걸린 상태에서 흐르는 상태로 어떻게 변화하는지에 대한 새로운 연구 데이터를 검토합니다. . Nature 지 6 월 23 일자에 발표 될이 연구는 원자 수준에서 유리가 액체와 어떻게 다른지에 대한 오랜 의문을 해결하는 데 영향을 미칩니다. 포 그라운드의 장치는 위에서 힘의 적용에 응답하여 폴리머 디스크를 통해 전송 될 때 힘의 라인을 표시합니다.

유리는 액체처럼 흐르지 만 모든 실제적인 목적을 위해 실온에서 고체의 모양을 취하는 매우 느린 속도로 흐릅니다. 그러나 수년간의 실험 후에도 과학자들은 원자가 액체와 유리에서 다르게 배열되는지 여부를 결정하지 못했습니다.

현재 시카고 대학교 (University of Chicago)의 물리학 자 팀은 입자가 정체 상태에서 유동 상태로 전환 될 때 과립 입자 사이에 가해지는 힘을 측정했는데, 이는 온도가 상승 할 때 액체가 될 때 유리의 원자 수준에서 발생하는 변화에 해당합니다. 이 발견은 알려진 응용 분야는 없지만 과학자들이 수십 년 동안 고민해온 문제를 해결합니다.

시카고 대학 물리학과 교수 인 하인리히 예거 (Hinrich Jaeger)는“이것은 추측 된 것이다. 시뮬레이션 된 것이지만 직접 측정되지 않은 것이다. 예거는 시카고 대학에서 물리학을 전공 한 에릭 코윈 (Eric Corwin)과 물리학자인 시드니 나겔 (Sidney Nagel)과 함께 네이처 (Nature) 논문의 공동 저자이다.

예거 교수는 시카고 실험의 경우 모래 또는 작은 유리 구슬이 이론상 유리의 원자에 해당한다고 밝혔다. 유리는 상온에서 얼어 붙은 액체처럼 행동하는 반면, 모래 및 기타 입자상 물질은 중력에 의해 압축 될 때 방해 (jamming)라고하는 유사한 얼어 붙은 상태를 경험합니다.

코윈은“유리는 막대한 시간 규모에도 전혀 흐르지 않으며 실제로 막혀있다”고 말했다. 그러나 특정 조건에서 유리와 입상 재료 모두 액체처럼 흐르기 시작합니다.

시카고 과학자들은 이제 처음으로 믿고있는 것에 대해 입자 상태에서 흐르는 상태로 전이 될 때 입상 물질에서 개별 입자 사이에 작용하는 힘을 측정했습니다. 시카고 대학 등의 컴퓨터 시뮬레이션에서이 전이는 원자가 유리를 녹이는 과정과 유사하다는 것을 보여줍니다.

컴퓨터를 제외하고 개별 원자 사이의 힘을 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 입상 물질에서 이러한 힘에 대한 Corwin의 측정은 일종의 돋보기 역할을한다고 Jaeger는 실험에서 흐르는 비드가 남긴 방해 현상을보다 쉽게 ​​읽을 수있게한다고 예거는 말했다.

예거는 "우리는 실제로 잼 상태에서 잼 상태로 갈 때 어떤 일이 발생하는지 볼 수있다"고 말했다.

실험 장치는 50, 000 내지 100, 000 개의 유리 비드로 채워진 실린더를 포함한다. 모터 구동 회전 피스톤은 비드를 위에서 압축합니다. 회전 피스톤에 의해 가해지는 전단 응력은 비드를 통해 이동하고 실린더 바닥의 특수하게 준비된 표면에 반점을 비 춥니 다. 그런 다음 비디오 카메라는 한 시간 동안 데이터를 수집하는 동안 스폿 이미지를 기록합니다.

Adam Bushmaker는 2001 년 여름 실험과 관련된 광학을 개발하기 시작했으며 National Science Foundation의 학부 연구 경험 프로그램에 참여했습니다. Bushmaker는 2004 년 Platteville 위스콘신 대학교에서 공학 물리학 학사 학위를 취득했습니다. 그런 다음 Corwin은 프로젝트를 인수하고 최종 장치를 구축하고 NSF와 미국 에너지 부의 추가 지원을 통해 데이터 분석을 수행했습니다.

예거는“에릭은이 특정한 힘 측정 기술을 새로운 차원으로 끌어 올릴 수 있었다”고 말했다.

데이터에 대한 Corwin의 통계 분석은 곡물이 흐르는 지 또는 걸린 지에 따라 곡물이 힘을 전달하는 방식에 뚜렷한 차이를 보여줍니다.

유리에서는 열이 특정 온도로 상승하면 흐름이 시작됩니다. 마찬가지로 시카고의 연구에 따르면 세분화 된 시스템에는 과학자들이 열 대신 힘을 가하여 발생하는 "유효 온도"라고하는 것이 있습니다.

Nagel은“상온에서 모래 더미는 재배치하기에 충분한 에너지를 가지지 못할 것이다. 그러나 모래와 함께 용기를 흔들면 진동으로 제공되는 에너지가 입자를 재 배열하기에 충분할 것입니다. 이러한 진동은 온도와 같은 방식으로 작용해야합니다.

곡물에서 효과적인 온도를 생성하는 또 다른 방법은 시카고 과학자들이 실험에서했던 것처럼 전단력을 적용하여 입자들이 움직이고 지속적으로 재 배열되도록하는 것입니다.

"유효한 온도"를 유동 과립 상 물질의 전단 응력에 의해 제공된 에너지 또는 임의의 운동과 연관시킬 수 있습니까? " 나겔이 물었다. "우리는 하나의 엄격한 조치에 따르면 할 수 있음을 보여 주었다."

실험을 설계하고 성공적으로 결론을 내려면 시간이 많이 걸리는 조정 및 교정이 필요했습니다. 예거는 "모든 환난이있는 데는 몇 년이 걸렸지 만, 이와 같은 훌륭한 결과가 나오면 정말 가치있는 일"이라고 말했다.

출처 : 시카고 대학교